Что такое алу в компьютере

Что такое алу в компьютере

Арифметико-логическое устройство является основой не только микропроцессора (МП), но и любого другого устройства с программируемой логикой, которое предназначено для обработки информации. Современные ЭВМ используют МП (и соответственно АЛУ) с очень большими значениями разрядности, быстродействия, числа регистров и т.п. Рассмотреть работу АЛУ легче при более простых схемах. При анализе архитектуры МП будем считать, что его АЛУ по своим функциональным возможностям, разрядности и набору входов и выходов соответствует стандартному 4-разрядному АЛУ, условное обозначение которого приведено на рис. 9.7. Это АЛУ содержит две входные (A и В) и одну выходную (F) 4-разрядные шины. Информация, поступающая по входным шинам, обрабатывается в соответствии с набором управляющих сигналов, подаваемых на управляющие входы АЛУ М, S1, S2, S3,S0). Результат обработки появляется на выходной шине.

Вход С служит для приема сигнала переноса, а на выходе переноса С4 образуется сигнал старшего разряда при выполнении арифметических действий, с выхода А = В подается сигнал о равенстве входных двоичных слов А и В при поразрядном сравнении. Этот выход позволяет использовать данную микросхему АЛУ в качестве компаратора. Дополнительные выходы G (образования ускоренного переноса) и Р (распространения ускорения ускоренного переноса) используются при организа­ции многоразрядных АЛУ. Реализуемые в АЛУ операции представлены в табл.

Другим важным узлом МП является набор регистров общего назначения (РОН), часто называемый сверхоперативным запо­минающим устройством (СОЗУ). В РОН хранятся информацион­ные слова, подлежащие обработке в АЛУ, результаты обработки информации в АЛУ и управляющие слова. Обращение к РОН — адресное. Эти регистры допускают считывание и запись информа­ции, поэтому содержат входную и выходную шины, адресную шину и управляющий вход, информация на котором задает ре­жим работы (запись, хранение или чтение информации).

Рассмотрим упрощенную структурную схему обрабатывающей части МП (рис. 9.8). При этом не будем указывать управляющие входы, что позволит обратить основное внимание на функцио­нальные характеристики системы при передаче и обработке дан­ных. Содержимое любого регистра общего назначения РОН может быть передано на буферный регистр БР и регистр сдвига PC. Арифметико-логическое устройство АЛУ может выполнять указанные в табл. логические и арифметические операции над содержимым обоих регистров; результат может быть записан в любой из РОН. При подаче соответствующих управляющих сигналов возможны, например, следующие операции: передача данных из одного РОН в другой путем пересылки выбранного из первого РОН слова транзитом через БР и АЛУ во второй РОН; увеличение или уменьшение на единицу содержимого любого РОН путем изменения в АЛУ выбранного из РОН значения на единицу и засылки полученного результата в тог же регистр; сдвиг содержимого любого РОН путем передачи выбранного числа в PC, сдвига этого числа и записи через АЛУ в тот же РОН.

Рис. 9.8. Упрощенная структурная схема обрабатывающей части микропроцессора

Очевидно, что для выполнения этих и других операций в АЛУ, РОН и вспомогательные регистры БР и PC должны подаваться определенные управляющие сиг­налы, причем важное значение имеет распределение этих сигналов во времени. Например, для передачи данных из одного РОН в другой требуются два такта:

такт 1 — адресация РОН, выборка содержимого РОН, прием выбранного слова в БР;

такт 2 — адресация РОН, запись в РОН информации, переданной на вход РОН через АЛУ.

Тактовые сигналы могут поступать от тактового генератора. Максимально возможная частота, а значит, и время выполнения операций, будут определяться задержкой сигналов на различных компонентах схемы.

В современных микропроцессорах АЛУ является только частью микросхемы сверхбольшой интеграции. Но среди микросхем просто большой интеграции имеются специальные микросхемы специализированного назначения, которые так и называются — арифметико-логические устройства. Примерами таких микросхем яв­ляются К155ИПЗ и 564ИПЗ.

Микросхема К155ИПЗ (рис. 9.9) предназначена для действий с двумя 4-разрядными двоичными словами: Конкретный вид операции, выполняемой микросхемой, задается 5-разрядным кодом, подаваемым на входы Всего это АЛУ способно выполнить 32 операции: 16 логических (И, ИЛИ, И —НЕ, ИЛИ —НЕ, исключающее ИЛИ и др.) и 16 арифметических и арифметико-логических (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 Сi.

На выходах F3, F2, F1 F0 формируются результаты логических преобразований и арифметических действий. На выходе переноса С4 образуется сигнал старшего (пятого) разряда при выполнении арифметических операций. Дополнительные выходы Р и G ис­пользуются только при организации многоразрядных АЛУ в слу­чае их сочетания с блоком ускоренного переноса.

Читайте также:  Как перевести музыку на карту памяти

Слова А и В, подлежащие обработке, могут быть представле­ны в положительной или отрицательной логике, но таблицы истинности для каждого варианта логики отличаются друг от друга.

Старший разряд кода выбора операции (вход М) определяет характер действий, выполняемых АЛУ. При М= 1 АЛУ произво­дит логические операции поразрядно над каждой парой бит слои А и В.

3 учебный вопрос: «Устройство управления»

Назначение устройства управления

Процессор является главной частью цифровой ЭВМ не только потому, что именно в нем выполняется сам процесс обработки информации, но и потому, что он управляет в ходе этого процесса работой других частей машины — в первую очередь, устройствами ввода и вывода и запоминающими. Самому процессору также требуется управление.

Процессор является конечным автоматом и в общем случае его можно представить в виде некоторого цифрового устройства, состоящего из двух частей: операционной и управляющей (рис.). В операционной части совершаются элементарные действия по обработке информации: запись слов в регистры; передача слов из регистра в регистр; сдвиг содержимого регистров влево или впра­во; определение состояния регистров; инвертирование содержи­мого регистров; логические операции при поразрядном сравне­нии содержимого регистров и т.д. Все эти операции производятся под воздействием сигналов управляющей части процессора и синхронизируются тактовыми сигналами.

Элементарные преобразования информации, выполняемые в течение одного такта сигна­лов синхронизации, называются микрооперациями.

В течение од­ного такта сигналов синхронизации могут выполняться несколько микроопераций (в разных элементах операционной части). Совокупность микроопераций, выполняемых одновременно в тече­ние одного такта, называется микрокомандой, а весь набор раз личных микрокоманд — микропрограммой.

Поскольку управляю­щее цифровое устройство определяет всю последовательность вы­полнения микрокоманд, т.е. микропрограмму, оно называется микропрограммным автоматом. Для выработки управляющих сигналов при выполнении некоторых микрокоманд такому автомату могут потребоваться сигналы о состоянии операционной части или внешние сигналы.

Для построения микропрограммного автомата используются принципы схемной (аппаратной) и программируемой логики, а методы управления процессором разделяют на аппаратные и программные.

На верхнем уровне системы управления (решение задач и функ­ционирование операционной системы) используется программ­ный метод. На нижнем уровне (например, ввод сигналов с клавиатуры, кодирование аналоговых сигналов) часто используется аппаратный метод.

Рис. Схема взаимодействия операционной и управляющей частей процессора

Для фиксации алгоритмов управления существуют два основ­ных способа: с помощью управляющих автоматов и с помощью управляющих кодов в запоминающем устройстве (ЗУ).

Оба способа в конечном счете обеспечивают образование необходимой пос­ледовательности микрокомандных сигналов, т.е. микропрограмм. Вэтом смысле указанные способы равнозначны, однако конст­руктивные отличия обусловливают различные области их приме­нения.

Первый способ, называемый аппаратным, применяется, как правило, во всех ЭВМ. Он наиболее эффективен для управления несложными, но часто встречающимися операциями. Второй способ, называемый обычно микропрограммным, получает все боль­шее распространение и особенно эффективен для управления сложными операциями типа встроенных процедур. Обычно оба этих способа сочетаются, а распределение управляющих воздействий мри каждом из них выбирают таким образом, чтобы обеспечить высокое быстродействие и оптимальную организацию вычисли­тельного процесса.

Дата добавления: 2014-01-03 ; Просмотров: 2024 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

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);

¨ 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.

Обобщенная структурная схема АЛУ (рис. 7.1) включает:

Читайте также:  Какая прическа мне подойдет тест бесплатно

— блок регистров 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.

Блок регистров связан с РОН центрального процессора и кэш-памятью данных.

Иногда АЛУ не содержит своего БР, в этом случае операционный блок непосредственно работает с регистрами общего назначения процессора. Для оперативного управления выполнением операции в ОБ на разных этапах анализируется преобразуемая информация и формируются сигналы признаков (флаги), которые используются в БУ для выработки и посылки в процессор сигнала признака результата (ПРез).

Для оценки АЛУ используются следующие характеристики: множество выполняемых операций, разрядность, время выполнения операций, надежностные и энергетические характеристики.

Рис. 7.1. Обобщенная структурная схема АЛУ.

Сумматоры АЛУ делятся:

¨ по типу использования для суммирования базовых элементов (комбинационные и накапливающие);

¨ по способу осуществления операции суммирования (последовательные и параллельные).

Сумматоры последовательного действия выполняются, как правило, на комбинационных элементах; на сегодняшний день устройства такого типа почти не применяются. В АЛУ современных ЭВМ средней и высокой производительности применяются сумматоры параллельного действия, выполняемые на накапливающих или комбинационных элементах.

Рис. 7.2. Сумматор параллельного действия (на накапливающих элементах).

В качестве накапливающих элементов могут служить обычные T-триггеры. Перед суммированием триггеры сумматора устанавливаются в нулевое состояние сигналом сброс. Затем на счетные входы триггеров подается первое слагаемое и запоминается. В следующем такте на входы триггеров подается второе слагаемое.

Триггеры тех разрядов, в которых второе слагаемое равно 1, меняют свое состояние на противоположное. В тех разрядах, в которых триггеры перешли из единичного состояния в нулевое, возникают сигналы переносов, последовательно передаваемые в старшие разряды сумматора. Арифметические операции сумматора выполняются с учетом знаков операндов.

По способу представления чисел:

¨ для чисел с фиксированной точкой;

¨ для чисел с плавающей точкой;

¨ для десятичных чисел.

По способу действия над операндами:

В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. Такие АЛУ, как правило, используют конвейерный метод обработки, при котором совмещаются во времени фазы выполнения операции для различных разрядов операндов.

По выполняемым функциям АЛУ подразделяются на:

В многофункциональных АЛУ все возможные операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными и алфавитно-цифровыми полями, операции умножения выполняются в отдельных блоках. Такой подход позволяет увеличить скорость работы АЛУ за счет использования быстродействующих блоков, а также за счет организации параллельной работы этих блоков. Однако в этом случае значительно увеличиваются затраты на оборудование.

По структурной организации АЛУ подразделяются на устройства, имеющие:

¨ регистровую структуру с непосредственными связями и закрепленной логикой;

¨ магистральную структуру с сосредоточенной памятью и логикой.

В АЛУ с регистровой структурой за каждым из регистров закреплена своя логическая схема, используемая для выполнения микрооперации (см. рис. 7.3).

С регистром Рг1 непосредственно связан преобразователь кода ПК1. С регистром Рг3 объединен КСМ по схеме накапливания сумматора, а с КСМ, в свою очередь, связаны ПК2 и комбинационная схема КС для мультиплексирования входных данных. На регистре Рг3 выполняются микрооперации сдвига вправо или влево и сброс. Регистр Рг4 выполняет микрооперации сдвига и непосредственно связан с ПК3. Таким образом, в АЛУ с такой структурой функции хранения и преобразования информации выполняются одним и тем же операционным блоком.

Рис. 7.3. Регистровая структура с закрепленной логикой

В АЛУ с магистральной структурой регистры выделены в отдельный блок, а схемы для преобразования информации выделены также в отдельный операционный блок (ОБ), который связан с блоками регистров по входам и выходам (см. рис. 7.4). Блок регистров (БР) осуществляет функции приема, хранения и выдачи операндов и результатов, а ОБ выполняет весь набор микроопераций над словами, хранимыми в блоке регистров. В АЛУ с такой структурой блок регистров может быть реализован или как СОЗУ, или как совокупность отдельных регистров с индивидуальными схемами управления. Структура же ОБ имеет следующие модификации:

Читайте также:  Iphone не отправляет смс мегафон

¨ последовательное соединение операционных узлов;

¨ параллельное соединение операционных узлов.

Пример АЛУ с магистральной структурой с последовательным соединением узлов ОБ.

В этом АЛУ преобразователь кода ПК, комбинационный сумматор КСМ и сдвигатель СДВ соединены последовательно, причем ПК и КСМ по входам связаны с выходными шинами блока регистров, а выход СДВ – с входной шиной блока регистров. Такая организация операционного блока дает возможность выполнять с высокой скоростью последовательности микроопераций, обеспечивающие выполнение одного слова.

Рис. 7.4. Магистральная структура с последовательным соединением операционных узлов

В случае же параллельного соединения операционных блоков АЛУ все операционные блоки: СМ, СДВ, КС, ПК параллельно соединяются с входными и выходными шинами блока регистров, что позволяет выполнять несколько микроопераций параллельно. Выглядит это так, как показано на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Магистральная структура с параллельным соединением операционных узлов

Статьи к прочтению:

Лекция 323. Atmega 8: Принцип работы АЛУ

Похожие статьи:

Основной элементарной операцией, выполняемой над кодами чисел в цифровых устройствах, является арифметическое сложение. Сумматор – электронная логическая…

Файлы операционной системы хранятся во внешней, долговременной памяти (на жестком, гибком или лазерном диске). Однако программы могут выполняться, только…

В общем случае многофункциональное АЛУ включает операционную часть (ОУ) и устройство управления (УУ), которое осуществляет вторичную дешифрацию кода команды и определяет выполняемую в АЛУ операцию.

Набор выполняемых в АЛУ операций должен обладать функциональной полнотой. Чтобы обеспечить функциональную полноту достаточно четырех операций:

· обращение к памяти для записи / чтения данных;

· сравнение (реализует возможность условного перехода);

· останов работы устройства.

В первых процессорах количество операций ограничивалось шестнадцатью, теперь достигает нескольких сотен.

Количество выполняемых операций является важной характеристикой АЛУ.

АЛУ можно классифицировать по ряду признаков, приведенных ниже.

Классификация по способу представления данных:

· с фиксированной запятой;

· с плавающей запятой.

Классификация по способу действия над операндами:

· последовательные АЛУ, где каждая операция выполняется последовательно над каждым разрядом;

· параллельные АЛУ, операция выполняется над всеми разрядами данных одновременно;

· последовательно — параллельные АЛУ, где слово данных делится на слоги, обработка данных ведется параллельно над разрядами слога и последовательно над слогами.

Классификация по использованию систем счисления:

Классификация по характеру использования элементов и узлов:

· блочные — для выполнения отдельных арифметических операций в структуру АЛУ вводят специальные блоки, что позволяет процесс обработки информации вести параллельно;

· конвейерные — в конвейерных АЛУ операция разбивается на последовательность микроопераций, выполняемых за одинаковые промежутки времени (такты) на разных ступенях конвейера, что позволяет выполнять операцию над потоком операндов каждый такт;

· многофункциональные — это универсальные АЛУ, выполняющие множество операций в одном устройстве. В таких АЛУ требуется настройка на выполнение данной операции при помощи кода операции.

Классификация по временным характеристикам.

По временным характеристикам АЛУ делятся на:

· синхронные — в синхронных АЛУ каждая операция выполняется за один такт.

· асинхронные — не тактируемые АЛУ, обеспечивающие высокое быстродействие, так как выполняются на комбинационных схемах.

Классификация по структуре устройства управления:

· АЛУ с жесткой логикой устройства управления;

· АЛУ с микропрограммным управлением.

Основные функции и характеристики АЛУ

Современные АЛУ выполняют:

· функции двоичной арифметики для данных в формате с фиксированной точкой;

· функции двоичной арифметики для данных в формате с плавающей точкой;

· функции арифметики двоично-десятичного представления данных;

· логические операций (в том числе сдвиги арифметические и логические);

· операции пересылки данных;

· работу с символьными данными;

· работу с графическими данными.

Основные характеристики АЛУ:

Основные характеристики АЛУ можно разделить на количественные и качественные.

Количественные характеристики определяют скорость выполнения операций, время выполнения одной операции, точность представления данных, количество выполняемых операций.

Среднюю скорость выполнения операций Vср. в АЛУ можно определить как отношение N(T) — количества операций, выполненных за отрезок времени Т к данному отрезку времени:

Среднее время, которое АЛУ тратит на выполнение операции равно:

Точность представления данных в АЛУ зависит от разрядной сетки АЛУ и выбранного формата данных.

Качественные характеристики АЛУ

К качественным характеристикам АЛУ относятся:

· структурные особенности АЛУ;

· форматы представления данных (с фиксированной или плавающей точкой);

Ссылка на основную публикацию
Что можно достать из старого монитора
Ребята, мы вкладываем душу в AdMe.ru. Cпасибо за то,что открываете эту красоту. Спасибо за вдохновение и мурашки.Присоединяйтесь к нам в...
Что делать если экран компьютера уменьшился
В этом уроке я покажу, как уменьшить масштаб экрана на компьютере. Мы научимся изменять шрифт в Windows разными способами: через...
Что делать когда dns сервер не отвечает
Как настроить роутер, как настроить модем, как настроить оптический терминал. Настройка роутера по http://192.168.1.1 или http://192.168.0.1 DNS сервер не отвечает...
Что можно писать на javascript
Аспирант Нетологии Максим Пименов рассказывает про JavaScript — невероятно популярный язык программирования, который учит сайты реагировать на поведение посетителей. JavaScript...
Adblock detector