Работа арифметико-логического устройства

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 С 4 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 С 4 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.

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