Арифметико-логическое устройство
Организация и принципы действия арифметико-логического устройства. Особенность работы блок процессора на операции сложения и вычитания. Определение генерируемой последовательности сигналов кодом системы команды и оповещающим сигнальным механизмом.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | лекция |
Язык | русский |
Дата добавления | 30.08.2017 |
Размер файла | 16,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Арифметико-логическое устройство
Арифмемтико-логимческое устромйство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) -- блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером или длиной машинного слова.
История
Разработчик компьютера ENIAC, Джон фон Нейман, был первым создателем АЛУ. В 1945 году он опубликовал первые научные работы по новому компьютеру, названному англ. Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC). Годом позже он работал со своими коллегами над разработкой компьютера в Принстонском институте перспективных исследований (IAS). 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.
Организация и принципы действия
Обобщённая блок-схема арифметико-логического устройства (АЛУ). Стрелками указаны входные и выходные слова. Флаги -- признаки (например, результата сравнения операндов) выполнения предыдущей операции (вход) и результата выполнения текущей операции (выход). В одноместных операциях таких, например, как инверсия битов слова или битовый сдвиг второй операнд (B) не участвует в операции. Слово команды указывает необходимую операцию.
Одноразрядное двоичное бинарное (двухоперандное) АЛУ с бинарным (двухразрядным) выходом может выполнять до {\displaystyle 2^{(2^{2})*2}=2^{8}=256} 2^{(2^{2})*2}=2^{8}=256 двоичных бинарных (двухоперандных) функций (операций) с бинарным (двухразрядным) выходом. логический процессор сигнал код
Арифметико-логическое устройство в зависимости от выполнения функций можно разделить на две части:
микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);
операционное устройство, в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).
В состав арифметико-логического устройства, условно включается регистры Рг1 -- Рг7, которые служат для обработки информации, поступающей из оперативной или пассивной памяти N1, N2, … NS и логические схемы, которые используются для обработки слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления. Различают два вида микрокоманд: внешние -- такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нём преобразование информации (на рисунке 2 это микрокоманды А1, А2,…, Аn) и внутренние -- те, которые генерируются в АЛУ и оказывают влияние на микропрограммное устройство, изменяя таким образом нормальный порядок следования команд. р1, p2,…, pm на рисунке 2 -- это и есть микрокоманды. А результаты вычислений из АЛУ передаются в ОЗУ по кодовым шинам записи у1, у2, …, ys.
Функции регистров, входящих в арифметико-логическое устройство
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.
Часть операционных регистров могут быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым, и их называют программно-доступными. К таким регистрам относятся: сумматор, индексные регистры и некоторые вспомогательные регистры. Остальные регистры нельзя адресовать в программе, то есть они являются программно-недоступными.
Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу её обработки и по логической структуре.
Такая сложная логическая структура АЛУ может характеризоваться количеством отличающихся друг от друга микроопераций, которые необходимы для выполнения всего комплекса задач, поставленных перед арифметико-логическим устройством. На входе каждого регистра собраны соответствующие логические схемы, обеспечивающие такие связи между регистрами, что позволяет реализовать заданные микрооперации. Выполнение операций над словами сводится к выполнению определённых микроопераций, которые сводятся, в свою очередь, … управляют передачей слов в АЛУ и действиями по преобразованию слов. Порядок выполнения микрокоманд определяется алгоритмом выполнения операций. То есть связи между регистрами АЛУ и их функциями зависят в основном от принятой методики выполнения логических операций, в том числе арифметических или специальной арифметики.
Пример работы АЛУ на операции сложения[править | править вики-текст]
Функциональная схема АЛУ
Функционально АЛУ состоит из двух регистров (Регистр1, Регистр 2), схемы управления и сумматора[1]. Арифметическая операция выполняется по тактам:
Значения операнда 1, участвующего в арифметической операции по кодовой шине данных поступает в Регистр 1
Значения операнда 2, участвующего в арифметической операции по кодовой шине данных поступает в Регистр 2
По кодовой шине инструкций, поступает инструкция на выполнение операции в схему управления
Данные из регистров поступают в сумматор, схема управления дает команду на выполнение сложения
Результат сложения поступает в Регистр 1
Результат операции АЛУ поступает в результирующий блок.
Пример работы АЛУ на операции вычитания[править | править вики-текст]
Значения операнда 1, участвующего в арифметической операции по кодовой шине данных поступает в Регистр 1
Значения операнда 2, участвующего в арифметической операции по кодовой шине данных поступает в Регистр 2
По кодовой шине инструкций, поступает инструкция на выполнение операции вычитания в схему управления
Схема управления преобразовывает положительное число в отрицательное (в формате дополнительного кода до двух)
Результат преобразования операнда поступает в сумматор
Сумматор складывает два числа
Результат сложения поступает в Регистр 1
Результат операции АЛУ поступает в результирующий блок.
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.
Классификация АЛУПо 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:
для чисел с фиксированной точкой;
для чисел с плавающей точкой;
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.
Литература
1. Каган Б. Электронные вычислительные машины и системы. - 3-е изд., перераб. и доп. -- Энергоатомиздат, 1991. -- ISBN 5-283-01531-9.
2. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. Учеб. пособие для вузов. Изд.2. -- БХВ-Петербург, 2004.
3. Самофалов К. Г., Романкевич А. М., Валуйский В. Н., Каневский Ю. С., Пиневич М. М. Прикладная теория цифровых автоматов. -- К: Вища школа, 1987. -- С. 375.
4. Ершов А. П., Монахов В. М., Бешенков С. А. и др. Ч.1 // Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. пособие для сред. учеб. заведений. В 2-х ч. -- М.: Просвещение, 1985. -- С. 96.
5. Ершов А. П., Монахов В. М., Кузнецов А. А. и др. Ч.2 // Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. пособие для сред. учеб. заведений. В 2-х ч. -- М.: Просвещение, 1986. -- С. 143.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Исследование абстрактного цифрового автомата Мили заданного устройства. Алгоритм его работы, таблицы прошивки и возбуждения постоянного запоминающего устройства. Составление функции возбуждения, функциональной и электрической принципиальной схемы.
курсовая работа [758,5 K], добавлен 18.02.2011Функциональная и принципиальная схема для арифметико-логического устройства, выполненного в виде печатной платы. Параметры используемой серии логических элементов. Составление минимизированного логического выражения для формирования выходного сигнала.
курсовая работа [521,0 K], добавлен 15.01.2011Сравнительный анализ функций арифметико-логического устройства (АЛУ) в современных микропроцессорах. Синтез схемы блока АЛУ и признаков результата. Разработка имитатора управляющих сигналов. Расчет надежности и безотказной работы проектируемой модели.
дипломная работа [1,0 M], добавлен 14.11.2014Исследование и принцип работы арифметико-логического устройства для выполнения логических операций. Условно–графическое обозначение микросхемы регистра. Анализ логической схемы регистра, принцип записи, чтения информации. Проектирование сумматора.
курсовая работа [879,6 K], добавлен 23.11.2010АЛУ - параллельное восьмиразрядное устройство, обеспечивающее выполнение арифметических и логических операций, а также операции логического сдвига, обнуления, установки. Регистр аккумулятора и регистр временного хранения. Регистр состояния программы.
контрольная работа [111,2 K], добавлен 23.08.2010Выполнение арифметических и логических преобразований над операндами в арифметико-логическом устройстве, их классификация по принципу работы. Структурная схема, алгоритм вычисления, синтез сумматоров, регистров, счетчика и тактовые параметры устройства.
курсовая работа [377,0 K], добавлен 03.12.2010- Разработка арифметико-логического устройства для выполнения операций по заданным логическим функциям
Методика составления и минимизации логических функций. Синтез комбинационного устройства на логических элементах и мультиплексоре. Логическая функция в виде СДНФ, преобразование функции в минимальный базис ИЛИ-НЕ. Проектирование устройства с памятью.
курсовая работа [964,1 K], добавлен 27.09.2012 Краткий обзор теории проектирования цифровых устройств. Описание используемых микросхем: назначение и основные параметры. Восьмиразрядный управляемый по фронту регистр с параллельным вводом-выводом данных. Дешифратор возбуждения одноразрядного индикатора.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 15.12.2013Структурная схема микропроцессорной системы. Арифметико-логическое устройство обработки информации. Системные и управляющие регистры процессора, их категории. Схема внутреннего управления. Типовые значения ключевых параметров для кэш-памяти; чипсет.
презентация [2,9 M], добавлен 29.08.2015Арифметико-логическое устройство микропроцессора: его структура и составные части, назначение, функции, основные технические характеристики. Организация системы ввода/вывода микро ЭВМ. Реальный режим работы микропроцессора, его значение и описание.
контрольная работа [201,1 K], добавлен 12.02.2014