Операции в алу

Все выполняемые в АЛУ операции являются логическими операциями (функциями), которые можно разделить на следующие группы:

- операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

- операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;

- операции десятичной арифметики;

- операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);

- операции специальной арифметики;

- операции над логическими кодами (логические операции);

- операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции всех приведённых выше групп, а малые и микроЭВМ, микропроцессоры и специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры арифметики чисел с плавающей точкой, десятичной арифметики и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами.

К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей («короткие операции») и умножение и деление («длинные операции»). Группу логических операций составляют операции дизъюнкция (логическое ИЛИ) и конъюнкция (логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остаётся на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации. Каждая операция в АЛУ является логической функцией или последовательностью логических функций описываемых двоичной логикой для двоичных ЭВМ, троичной логикой для троичных ЭВМ, четверичной логикой для четверичных ЭВМ, …, десятичной логикой для десятичных ЭВМ и т. д.

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

По способу представления чисел различают АЛУ:

1. для чисел с фиксированной точкой;

2. для чисел с плавающей точкой;

3. для десятичных чисел.

По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приём из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметико-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.

Микропроцессоры и микроконтроллеры.

Микропроцессор (МП) — это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации — ее перемещения, осуществления арифметических и логических операций по командам, которые он считывает из памяти.

Последовательность команд называется программой.

В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ, а первый микропроцессор Intel-4004, в 1971 году был выпущен в продажу.

Микропроцессор включает в себя:

- арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое служит для

осуществления собственно арифметических и логических операций: - арифметической - процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление и т.д.).

- логической операцией - осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ и т.д.).

- регистры общего назначения (РОН), которые используются для хранения информации — сверхоперативного запоминающего устройства; Регистры предназначены для хранения операндов в процессе выполнения операций и функциональных схем, необходимых для выполнения преобразования операндов при передаче их с одного регистра на другой. Количество и назначение РОН в МП зависят от его архитектуры.

- аккумулятор — регистр, из которого берется одно из чисел, с которыми производятся арифметические или логические операции. В него помещается результат;

- счетчик адреса команд, в котором хранится адрес ячейки памяти, в которой записан код текущей команды;

- регистр флагов или условий — в него помещаются сведения об особенностях результата выполнения арифметических или логических операций, например, нулевой результат, переполнение (перенос), четность и пр.;

- регистр адреса стека, в котором записан адрес последний занятой под стек ячейки памяти;

- блок управления шинами микропроцессорной системы, схемы формирующей сигналы на внешних шинах микропроцессора и, тем самым,управляющей микропроцессорной системой;

- блок дешифрирования кодов команд.

- Таймер — счетчик — предназначен для подсчета внутренних событий, для получения программно-управляемых временных задержек и для выполнения времязадающих функций МП.

- ОЗУ — служит для приема, хранения и выдачи информации, ис-пользуемой в процессе выполнения программы.

- ПЗУ — служит для выдачи констант, необходимых при обработке данных в АЛУ.

- КЭШ память — хранит внутри МП копии тех команд операндов и данных, к которым производились последние обращения МП. Если МП необходимо считать данные, имеющиеся в КЭШ, то она их представляет, и нет необходимости обращаться к внешней памяти. В КЭШ помещаются результаты вычислений.

- ША, ШД, ШУ (адреса, данных, управления) — группы линий, по которым передается однотипная информация.

- Шинный интерфейс — выполняет функции согласования действий между внутренними устройствами МП и внешней системой, т.е. управляет потоками и форматами данных между МП и внешними устройствами.

В тех случаях, когда память и средства ввода/вывода размещаются на той же подложке интегральной схемы, что и микропроцессор, последний превращается в микроконтроллер. Более подробный анализ позволяет определить микроконтроллеры как устройства, имеющие память RAM или ROM вместо кэш-памяти, присутствующей обычно в большинстве периферийных устройств. В противоположность микроконтроллерам, микропроцессоры имеют устройство управления памятью и большой объем кэш-памяти. Иногда разница определяется производительностью или разрядностью.

Основные характеристики микропроцессора

Микропроцессор характеризуется:

1) тактовой частотой, определяющей максимальное время вы-полнения переключения элементов;

2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обраба-тываемых двоичных разрядов.

Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает:

- m — разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

- n — разрядность шины данных, определяет скорость передачи ин-формации;

- k — разрядность шины адреса, определяет размер адресного про-странства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

3) архитектурой

Архитектура МП дает представление о функциональном поведении логической структуры и ее организации (взаимодействие отдельных узлов и блоков МП при выполнении тех или иных вычислительных операций), определяет особенности построения программных средств, описывает внутреннюю организацию потоков данных и управляющей информации.

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

Интерфейсные устройства.

Интерфейс – это аппаратно-программные средства, обеспечивающие графическое отображение и обмен информацией между человеком и компьютером. Говоря простым языком, интерфейс, благодаря аппаратуре и программному обеспечению, позволяет компьютеру взаимодействовать с человеком или другими компьютерами. Различают системный интерфейс – это обеспечение взаимодействия при помощи операционной системы или ее надстройки и прикладной интерфейс – это интерфейсы различных прикладных программ. Системный подразделяется на командный, графический WIMP и SILK-интерфейс. Командный интерфейс выполнен в виде технологии командной строки. Компьютер выводит на экран пустую строку, в которой человек пишет команду и отправляет на реализацию ПК. Интерфейс WIMP работает благодаря командам, но, в отличие от командной строки, здесь используется различные графические образы: окна, меню, указатели. На сегодняшний день широкое распространение получил так называемый "чистый" графический интерфейс. Работа происходит в окнах. Все файлы и программы выполнены в виде "иконок", при нажатии открываются в окна. Повсеместно используются различные меню. Работа ведется при помощи указателей. Интерфейс SILK работает на основе технологии распознавания звуков. Этот вид интерфейса появился после изобретения звуковых карт. Компьютер анализирует человеческую речь, выделяя в ней команды и выполняет их. Используется редко, в основном военными. Необходимо настраивать данный интерфейс на каждого пользователя для правильного распознавания голосовых команд.

Для наиболее простого соединения периферийного устройства с шиной компьютера используют порты ввода-вывода. Порт ввода представляет собой ряд тристабильных вентилей, а порт вывода является регистром. Это самая простая аппаратная реализация интерфейса. Все сигналы, которые компьютеру необходимо получить от периферийного устройства, поступают к нему через порт ввода. Все сигналы, которые компьютер должен передать периферийному устройству, выводятся через порт вывода. Прием и передача сигналов должны осуществляться под управлением программных средств. Однако такой способ реализации усложняет программное обеспечение и, кроме того, снижает производительность всей системы. Напротив, если имеются специальные аппаратные средства, автоматически выполняющие прием и передачу сигналов, программное обеспечение упрощается, а производительность

Рис. 1. Соединение процессора с периферийным устройством через порт ввода-вывода.

Кристалл, на котором реализованы аппаратные средства интерфейса, называется интерфейсным кристаллом.

Из рис. 1. следует, что интерфейсы могут быть двух типов: со стороны шины компьютера и со стороны периферийного устройства.

Аналого-цифровые преобразователи.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Суть преобразования аналоговых величин заключается в представлении непрерывной функции (например, напряжения) от времени в последовательность чисел, отнесенных к фиксированным моментам времени. Т.е. это представление сигнала в виде последовательности определенных чисел, каждое из которых относится к определенному моменту времени. Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование.

Дискретизация - это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность. Принцип дискретизации представлен на Рис. 1.

Рис. 1 - Принцип дискретизации

На рисунке показана наиболее распространенная равномерная дискретизация. Сначала имеется непрерывный сигнал S(t). Затем он подвергается разбиению на равные промежутки времени Δt. Вот эти промежутки "дельта тэ" и есть дискретные отсчеты, называемые периодами дискретизации. В результате получается последовательность отсчетов (дискретных) с шагом в Δt. По сути в основе дискретизации непрерывных сигналов лежит возможность представления их, т. е. сигналов в виде взвешенных сумм некоторых коэффициентов, обозначим их как a_i, иначе называемых отсчетами, и набора элементарных функций, обозначим их как f_i(t), используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

Период дискретизации выбирается из условия:

Δt = 1/2F_в,

где F_в - максимальная частота спектра сигнала. Теорема Котельникова, гласит: Любой непрерывный сигнал можно абсолютно точно восстановить на выходе идеального полосового фильтра (ПФ) с полосой F_в, если дискретные отсчеты взяты через интервал Δt = 1 / 2F_в. А это значит, что частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты сигнала. На практике, например, это хорошо иллюстрирует обычный компакт диск (КД или CD) или, как его называют, AudioCD. КД записывают с частотой дискретизации 44,1 кГц. Это значит, что максимальная верхняя частота будет равна 22 кГц, что, как считается, вполне достаточно для уха человека ( частотный диапазон для уха человека равен 20...20 000 Гц).

При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования (Рис. 2.).

Рис. 2 - Квантование

На рисунке изображено равномерное квантование. Одним из основных параметров является δ - шаг квантования. Таким образом, вместо последовательности отсчетов получается последовательность чисел, соответствующих уровням квантования.

При равномерном квантовании динамический диапазон получается довольно большим. Поэтому применяется неравномерное квантование, при котором динамический диапазон уменьшается. При этом шаг квантования δ различчен при различных уровнях. При малых уровнях сигнала шаг небольшой, при больших он увеличивается. На практике неравномерное квантование практически не используется. Вместо этого применяют компрессоры, в Европе используют - А-компрессоры. Характеристика компрессора показана на рис. 3.

Рис. 3 - Амплитудная характеристика компрессора

Кодирование - это сопоставление элементов сигнала с некоторой кодовой комбинацией символов. Широко используется двоичный код.

Ну а теперь перейдем собственно к АЦП. АЦП бывают последовательные и параллельные. Начнем с параллельных.