2. Арифметико-логическое устройство.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - многокаскадное устройство функционального назначения, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над одним или двумя операндами.
Назначение.
Арифметико-логическое устройство любой вычислительной системы предназначено для выполнения арифметических и логических операций над двоично-кодированными операндами. В общем случае в АЛУ выполняются операции сложения, вычитания, умножения и деления двух чисел, операции поразрядного логического сложения и логического умножения, сдвиговые операции, преобразования кодов и некоторые другие операции.
Классификация.
1. По способу действия над операндами:
последовательные (операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени разряд за разрядом; требуют меньших аппаратурных затрат);
параллельные (операнды представляются параллельным кодом и операции выполняются параллельно над всеми разрядами операнда; более быстродействующие и, в связи с этим более широко используемые).
2. По способу организации работы:
синхронные (имеют меньший объем оборудования за счет простоты устройства, но менее быстродействующие)
асинхронные (имеют специальные устройства для определения момента фактического завершения операции).
3. По структуре:
АЛУ с непосредственными связями (сумматор, схемы для выполнения логических операций и сдвигов, а также схемы передачи информации соединены непосредственно с выходами соответствующих регистров. При этом операнды, участвующие в микрооперации, снимаются с определенных регистров и результаты образуются также в определенных регистрах);
АЛУ с магистральной структурой (входы схем для выполнения сложения, логических операций и сдвигов соединены с магистральными шинами данных или шиной данных, на которые с помощью мультиплексора может быть подключена информация с любого регистра АЛУ, а выходы этой аппаратуры подключены через мультиплексор по входным цепям регистров. При этом операнды для выполнения микрооперации могут быть взяты из любых регистров и результат также может быть передан в любой регистр).
4. По способу представления чисел
АЛУ для чисел с фиксированной запятой;
АЛУ для чисел с плавающей запятой;
АЛУ для десятичных чисел.
5. По характеру использования основных узлов
АЛУ блочного типа (имеется несколько блоков для выполнения основных операций; более предпочтительны);
АЛУ многофункционального типа (все операции выполняются одним блоком за счет изменения его структуры посредством коммутационных схем).
Устройство:
В состав АЛУ входят следующие элементы:
1. Операционный блок, т.е. блок выполнения операции. В него входят: сумматоры, один или несколько регистров и логические схемы, устанавливающие фактические связи между составными частями АЛУ в зависимости от вида выполняемой операции.
2. Логические схемы, вырабатывающие признак результата (ПР).
3. Блок местного управления (БМУ) (служит для выработки управляющих сигналов, под действием которых реализуется операция в АЛУ. При отсутствии этого блока управление АЛУ осуществляется устройством управления вычислительной машины.).
4. Блок местной памяти (БМП) небольшой емкости.
Наибольшую смысловую нагрузку несёт операционное устройство, в состав которого входят:
суммирующий блок или суммирующая часть АЛУ (выполняет простые арифметические операции (сложение, вычитание, вычитание модулей) и логические операции);
блок умножения или блок умножения-деления (реализует сложные арифметические операции (деление и умножение)).
Условное обозначение:
АЛУ выполняться в виде отдельных микросхем или же может входить в состав одной СБИС микропроцессора.
Специализированные микросхемы АЛУ, выполняют в соответствии с программой арифметические или логические операции над двумя двоичными числами. Примером условного обозначения микросхемы является ИМС типа К155ИП3. УГО данной микросхемы имеет вид (Рис. 11).
Рис. 11 УГО АЛУ
Данное АЛУ предназначено для действий с двумя четырехразрядными двоичными словами: A = A3A2A1A0 , B = B3B2B1B0. Конкретный вид операции, выполняемой микросхемой, задается 5-разрядным кодом на входах M S3 S2 S1 S0. Всего АЛУ может выполнить 32 операции: 16 логических (И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ и др.) и 16 арифметических (сложение, вычитание, удвоение, сравнение чисел и др.). Операции сложения и вычитания проводятся с ускоренным переносом из разряда в разряд. Кроме того, имеется вход приема сигнала переноса С. На выходах F0 , F1 , F2 , F3 формируются результаты логических преобразований и арифметических действий. На выходе переноса С4 образуется сигнал для старшего (пятого) разряда при выполнении арифметических операций. Дополнительные выходы - образования ускоренного переноса G и распространения ускоренного переноса P, используются при организации многоразрядных АЛУ в случае их сочетания с блоком ускоренного переноса типа К155ИП4. Вход А=В показывает равенство двух слов.
Схема АЛУ
Обобщенная структурная схема АЛУ приведена на Рис. 12. Здесь же показаны связи АЛУ с остальными устройствами машины.
Рис. 12 Обобщенная структурная схема АЛУ
Принцип работы:
Из ЗУ в АЛУ поступают операнды, над которыми производится та или иная операция. Действия над операндами сводятся к выполнению последовательности микроопераций, по которым осуществляется прием операндов в АЛУ, их преобразование и выдача результатов. Сигналы, определяющие состав и последовательность каждой группы микроопераций, выдает БМУ, если таковой имеется, или УУ. В процессе выполнения операции схема выработки признаков результата обеспечивает выдачу в БМУ сигнала «Признак результата операции», обеспечивающего в определенных ситуациях автоматическое изменение порядка следования микроопераций. В случае необходимости сигнал «Признак результата операции» передается в УУ.