Обобщенная модель АЛУ

Назначение, состав, основные характеристики и классификация АЛУ

План лекции.

Лекция 5.

Тема. Арифметико-логические устройства (АЛУ).

1. Назначение, состав, основные характеристики и классификация АЛУ.

2. Обобщенная модель АЛУ.

3. Микроалгоритм сложения чисел в прямых кодах с использованием обратных кодов для вычитания.

4. Обнаружение переполнения разрядной сетки при суммировании.

5. Схема суммирующего блока на базе комбинационного сумматора.

6. Микроалгоритм суммирования чисел в дополнительном коде и его схемная реализация.

7. Последовательный суммирующий блок.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является частью процессора и предназначено для выполнения операций над машинными словами (числами, командами и кодами других объектов). Любое АЛУ имеет в своем составе несколько регистров, сумматор и блок местного управления (БМУ), вырабатывающий необходимые последовательности управляющих сигналов. Важнейшей характеристикой АЛУ является набор выполняемых им операций. Для реализации любого вычислительного алгоритма он должен обладать функциональной полнотой. Минимальный набор операций в ЭВМ, обладающий свойством полноты, включает всего 4 операции: пересылку информации из любой ячейки памяти в любую другую ячейку, сложение слова с +1 или −1, условный переход по совпадению слов и безусловный останов. Однако с целью повышения быстродействия и упрощения программирования набор операций АЛУ обычно обладает значительной избыточностью. Число операций колеблется от 16 в АЛУ простейших микропроцессоров до нескольких сотен. При всем разнообразии наборов операций в их составе всегда имеются 4 основные арифметические операции и наиболее важные логические операции: сравнение, поразрядная конъюнкция и др.

По способу обмена информацией между регистрами и сумматором АЛУ делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Параллельные АЛУ используются в универсальных цифровых ЭВМ, так как их применение позволяет более чем в n раз (n − длина операндов) повысить быстродействие по сравнению с последовательными АЛУ. При этом аппаратурные затраты возрастают менее, чем в 2 раза. Последовательные и последовательно-параллельные АЛУ применяются в малых и специализированных ЭВМ в тех случаях, когда к их быстродействию не предъявляются высокие требования.

По форме представления чисел различают АЛУ с плавающей запятой, АЛУ с фиксированной запятой и АЛУ, работающие как с плавающей, так и с фиксированной запятой. В некоторых ЭВМ предусмотрен режим целых чисел, при котором запятая фиксируется после последнего разряда числа. Такой способ представления чисел удобен при решении экономических задач.

В зависимости от принятой системы счисления АЛУ делятся на двоичные, троичные (ЭВМ «Сетунь»), десятичные, АЛУ в СОК, в избыточных системах, в системах Фибоначчи, в системах с искусственным порядком весов и т.п. Известны АЛУ, работающие в системах счисления с основанием 2 ^k (k = 3, 4, …) – восьмеричные, шестнадцатиричные и др.

По способу ввода входной информации АЛУ подразделяются на автономные, неавтономные и полуавтономные. Автономные АЛУ в процессе функционирования не приобретают внешней информации. Такой режим является основным для АЛУ большинства ЭВМ. Неавтономные АЛУ в процессе работы получают информацию об уточненных значениях операндов через внешние каналы. В полуавтономных АЛУ сочетаются оба режима ввода операндов. Неавтономные и полуавтономные АЛУ применяются в высокопроизводительных специализированных ЭВМ.

В зависимости от времени выполнения отдельных операций различают АЛУ синхронного и асинхронного типа. В синхронных АЛУ на выполнение различных операций отводится одно и то же время. В асинхронных АЛУ на выполнение каждой операции отводится столько тактов машинного времени, сколько требуется при каждой конкретной ее реализации, а следующая операция начинается лишь по сигналу конца текущей операции. Комбинированные АЛУ сочетают простоту синхронных и быстродействие асинхронных АЛУ. При этом все операции делятся на две группы: однотактные и многотактные. Однотактные операции реализуются по синхронному способу, а многотактные – по асинхронному.

По способу организации выполнения микроопераций АЛУ делятся на АЛУ с закрепленными микрооперациями, общими микрооперациями и конвейерного типа. В АЛУ с закрепленными микрооперациями в регистрах для реализации каждой микрооперации имеется специальная функциональная схема, а АЛУ в целом имеет большое число идентичных схем, связанных с различными регистрами. При большом числе выполняемых операций аппаратурные затраты на функциональные схемы в АЛУ становятся весьма значительными. Поэтому в микроЭВМ чаще используются АЛУ с общими микрооперациями. Такое АЛУ состоит из нескольких регистров общего назначения, имеющих цепи для передачи операндов. Цепи для выполнения арифметических и логических операций вынесены из регистров и объединены в специальный блок. Настройка такого АЛУ на реализацию требуемой операции производится путем подключения регистров общего назначения к блоку арифметических и логических цепей с помощью мультиплексоров. В АЛУ с общими микрооперациями удается снизить аппаратурные затраты за счет исключения в регистрах цепей одинакового назначения. АЛУ такого типа называются также магистральными или АЛУ с сосредоточенной памятью и логикой. Регистры и блок арифметических и логических цепей поочередно подключаются к числовым магистралям, т.е. каналам для передачи операндов.

АЛУ конвейерного типа состоит из l регистров, где l – максимальное число микроопераций, необходимых для выполнения любой операции из заданного набора, причем каждый регистр имеет все необходимые цепи для выполнения любой микрооперации. Регистры связаны между собой так, что цифра из i -го разряда некоторого регистра может быть передана только в i -й, i +1-й или i –1-й разряды соседнего регистра. Микрооперации выполняются при передаче слов с регистра на регистр под воздействием синхронизирующих сигналов. Одновременно в таком АЛУ могут выполняться микрооперации, относящиеся к l различным операциям.

По структуре АЛУ делятся на универсальные и блочные. В АЛУ универсального типа все операции выполняются с использованием одних и тех же аппаратных средств. АЛУ блочного типа состоят из отдельных операционных блоков, каждый из которых предназначен для выполнения одной или нескольких близких по смыслу операций.

В АЛУ выполнение любой операции сводится к последовательности элементарных операций, называемых микрооперациями. Для управления порядком следования микроопераций используются логические условия, принимающие значения 0 или 1 в зависимости от значений операндов. Поэтому процесс выполнения некоторой операции в АЛУ можно описать соответствующей последовательностью микроопераций и логических условий, называемой ее микроалгоритмом. Таким образом, структура и функции АЛУ определяются набором микроалгоритмов выполнения операций. Академиком В. М. Глушковым показано, что структура любого АЛУ представляет собой композицию операционного автомата (ОА) и управляющего автомата (УА). ОА служит для хранения операндов в течение времени выполнения операции, формирования результата путем выполнения последовательности микроопераций и определения значений логических условий. УА предназначен для формирования управляющих сигналов в соответствии с микроалгоритмом операции. Функции ОА можно описать, задавая множества входных и выходных слов (операндов и результата), множество внутренних слов (промежуточных результатов), множество микроопераций, необходимых для преобразования операндов в результат, а также множество проверяемых логических условий. Такое описание не отражает способа работы ОА и порядка выполнения микроопераций, так как время не является аргументом функций ОА. Структура ОА отражает информационные связи в микроалгоритмах и определяет лишь средства, а не процесс выполнения операций. Структура УА отражает связи по управлению в микроалгоритмах реализуемых микроопераций, а его функции определяют процесс вычислений путем проверки в определенном порядке логических условий и формирования управляющих сигналов, по которым происходит выполнение отдельных микроопераций. К таким микрооперациям относятся:

- прием слова X на регистр RG ();

- выдача прямого () или инверсного () содержимого регистра RG;

- установка в 0 (сброс) регистра RG ();

- сдвиг содержимого регистра RG на i разрядов влево () или вправо ();

- прибавление или вычитание единицы к содержимому счетчика CT ().

Независимо от структуры АЛУ его оборудование при выполнении некоторой операции настраивается на ее реализацию, то есть коммутируется в определенный операционный блок. Выполнение любой операции в АЛУ начинается с подготовительных микроопераций извлечения операндов из ЗУ и их фиксации в регистрах АЛУ.

Дата добавления: 2014-01-03