Что такое арифметико-логическое устройство. Каковы основные функции АЛУ. Как устроено АЛУ. Какие операции выполняет арифметико-логическое устройство. Какова история создания АЛУ. Какие бывают типы АЛУ.

Что такое арифметико-логическое устройство (АЛУ)

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — это ключевой компонент процессора компьютера, отвечающий за выполнение арифметических и логических операций. АЛУ является одним из четырех основных блоков процессора наряду с устройством управления, регистрами и кэш-памятью.

Основная задача АЛУ — обработка данных, хранящихся в оперативной памяти компьютера. АЛУ выполняет вычисления и логические преобразования над операндами — числами или другими данными, подаваемыми на его вход.

Основные функции арифметико-логического устройства

К ключевым функциям АЛУ относятся:

• Выполнение арифметических операций (сложение, вычитание, умножение, деление)
• Выполнение логических операций (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ и др.)
• Операции сдвига и циклического сдвига
• Операции сравнения чисел
• Преобразование форматов данных

АЛУ получает операнды из регистров процессора или оперативной памяти, выполняет над ними заданную операцию и записывает результат обратно в регистр или память.

Внутреннее устройство АЛУ

В состав типичного арифметико-логического устройства входят следующие компоненты:

• Сумматоры — выполняют операции сложения
• Регистры — для временного хранения операндов и результатов
• Логические схемы (И, ИЛИ, НЕ и др.)
• Сдвиговые регистры
• Схемы преобразования кодов чисел
• Схемы управления, координирующие работу всех узлов

Ключевым элементом АЛУ является одноразрядный двоичный сумматор, выполняющий сложение двух бит с учетом переноса из младшего разряда.

Типы операций, выполняемых АЛУ

Арифметико-логическое устройство способно выполнять следующие группы операций:

1. Арифметические операции:
   • Сложение и вычитание
   • Умножение и деление
   • Инкремент и декремент
2. Логические операции:
   • Конъюнкция (И)
   • Дизъюнкция (ИЛИ)
   • Отрицание (НЕ)
   • Исключающее ИЛИ
3. Операции сдвига:
   • Логический сдвиг
   • Арифметический сдвиг
   • Циклический сдвиг
4. Операции сравнения
5. Преобразование форматов данных

Конкретный набор операций зависит от архитектуры процессора. Современные АЛУ могут выполнять сотни различных операций.

История создания арифметико-логического устройства

Концепция арифметико-логического устройства была впервые предложена Джоном фон Нейманом в 1945 году при разработке компьютера ENIAC. В своих работах фон Нейман описал АЛУ как необходимый компонент компьютера, обеспечивающий выполнение базовых математических операций.

В 1946 году фон Нейман со своими коллегами начал работу над созданием компьютера в Принстонском институте перспективных исследований. Архитектура этого компьютера, включающая АЛУ, стала прототипом для большинства последующих компьютеров.

Классификация арифметико-логических устройств

АЛУ можно классифицировать по нескольким признакам:

По способу обработки данных:

• Параллельные — обрабатывают все разряды одновременно
• Последовательные — обрабатывают разряды последовательно
• Параллельно-последовательные — комбинированный подход

По характеру использования:

• Многофункциональные — универсальные АЛУ
• Блочные — специализированные для определенных типов операций

По системе счисления:

• Двоичные
• Десятичные
• Шестнадцатеричные

По способу представления чисел:

• С фиксированной точкой
• С плавающей точкой

Роль АЛУ в современных процессорах

В современных процессорах арифметико-логическое устройство остается ключевым компонентом, обеспечивающим выполнение вычислений. При этом архитектура АЛУ постоянно совершенствуется:

• Увеличивается разрядность АЛУ (64 бит и более)
• Растет количество АЛУ в процессоре для параллельных вычислений
• Добавляются специализированные АЛУ (для операций с плавающей точкой, векторных вычислений)
• Внедряются новые алгоритмы оптимизации вычислений

Несмотря на появление новых архитектур процессоров, концепция АЛУ, предложенная фон Нейманом, остается фундаментальной для современных компьютеров.

Взаимодействие АЛУ с другими компонентами процессора

Арифметико-логическое устройство тесно взаимодействует с другими блоками процессора:

• Устройство управления посылает в АЛУ команды на выполнение операций
• Регистры процессора предоставляют АЛУ операнды и хранят результаты вычислений
• Кэш-память обеспечивает быструю передачу данных между АЛУ и оперативной памятью

Эффективное взаимодействие всех компонентов обеспечивает высокую производительность процессора в целом.

Что такое арифметико-логическое устройство (АЛУ) :: SYL.ru

Что такое АЛУ? Арифметико-логическое устройство, одна из составляющих процессора. В статье мы приглашаем вас узнать принципы его действия, историю создания, основные характеристики, выполняемые операции, существующие классификации АЛУ.

Определение понятия

Арифметико-логическое устройство — один из блоков процессора, управляемый УУ (устройством управления). Его предназначение: выполнение логических и арифметических преобразований над данными-операндами (аргументами операции, информацией, обрабатываемой программой). Разрядность операндов в данном случае — размер или длина машинного слова.

Современное многофункциональное АЛУ состоит сегодня из двух частей:

• Операционное устройство.
• Устройство управления. Проводит вторичную дешифрацию кодов команды, определяет операцию, выполняемую в арифметико-логическом устройстве.

Набор выполняемых операций

Важно знать, какие операции должно исполнять АЛУ для того, чтобы обладать функциональной полнотой. Как правило, хватает четырех:

• Обращение к памяти устройства для чтения или записи информации.
• Декремент/инкремент.
• Сравнение. Здесь реализуется возможность условного перехода.
• Остановка функционирования устройства.

Если мы обратимся к первым арифметико-логическим устройствам, то увидим, что количество выполняемых ими операций ограничивалось 16-ю. Современные АЛУ способны выполнять сотни! Кстати, число операций и сегодня является важнейшей характеристикой данных устройств.

Классификация АЛУ

Мы помним, арифметико-логическое устройство — устройство управления и операционное. Но не все современные и исторические АЛУ одинаковы. Далее мы приведем самые распространенные их классификации.

По способу представления информации:

• С плавающей запятой.
• С фиксированной запятой.

По способу действий с операндами:

• Параллельные. В этом случае операции над всеми разрядами выполняются АЛУ одновременно.
• Последовательные. В данном случае операции будут выполняться по очереди, последовательно над каждым из разрядов.
• Параллельно-последовательные. Слово данных здесь делится на слоги. Обработка информации в таком АЛУ (арифметико-логическом устройстве) ведется параллельно над разрядами слога и последовательно над самими слогами.

По применению систем исчисления:

• Двоичные.
• Двоично-десятичные.
• Восьмеричные.
• Шестнадцатиричные и проч.

По особенностям использования узлов и элементов:

• Блочные. Для выполнения отдельных арифметических операций в систему арифметико-логического устройства процессора вводят специальные блоки. Последние позволяют вести параллельно процессы обработки информации.
• Конвейерные. Чем отличаются АЛУ такого типа? Любая операция будет разбиваться на последовательность из микроопераций. Они выполняются за определенные такты (равные временные промежутки) на разных ступенях такого конвейера. Операция над потоком операндов, таким образом, выполняется каждый такт.
• Многофункциональные. Это универсальные АЛУ, которые способны исполнить множество операций в одном устройстве. Однако здесь требуется настройка на выполнение конкретной операции с помощью ее кода.

По временным характеристикам:

• Синхронные. В таких арифметико-логических устройствах компьютера каждая операция станет выполняться за один такт.
• Асинхронные. Соответственно, нетактируемые АЛУ. Обеспечивают высокую степень быстродействия, так как выполняются на комбинационных схемах.

По характеристике устройства управления:

• Имеющие микропрограммное управление.
• С жесткой логикой УУ.

Основные функции

Арифметико-логическое устройство является составной частью процессора компьютера. АЛУ будет выполнять следующие функции:

• Двоичной арифметики для информации в форматах с фиксированной точкой.
• Двоичной арифметики для информации в форматах с плавающей точкой.
• Арифметики двоично-десятичного представления сведений.
• Логические операции (арифметические и логические сдвиги).
• Пересылка информации.
• Работа с символьными данными.
• Работа с графической информацией.

Главные количественные характеристики

Составные части арифметико-логического устройства (ОУ и УУ) определяют количественные характеристики всей системы АЛУ. В частности, это следующее:

• Время выполнения одной операции.
• Скорость выполнения операций вообще.
• Число исполняемых операций.
• Точность предоставленной информации.

Главные качественные характеристики

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является составной частью процессора. Это определяет его важнейшие качественные характеристики:

• Структурные особенности системы АЛУ.
• Методики кодирования данных.
• Форматы представления информации — с плавающей или фиксированной точкой.

История возникновения

Создателем арифметико-логических устройств считается Джон фон Нейман, разработчик компьютеров ЭНИАК (электронных числовых вычислителей).

Уже в 1945 году им были опубликованы первые научные работы по своему стартовому изобретению — компьютеру EDVAC. В следующем году он уже работал вместе со своими коллегами над созданием такого устройства в Принстонском институте перспективных исследований.

Архитектура этого изобретения («архитектура фон Неймана») в дальнейшем стала базой, прототипом архитектур и большей части последующих компьютеров. В своих работах ученый указывал на наличие устройств, которые, по его мнению, являются обязательными для каждого компьютера. Среди них было упомянуто АЛУ. Фон Нейман считал, что арифметико-логическое устройство необходимо, потому что позволяет выполнять системе математические базовые операции. Как то: сложение и вычитание, умножение и деление.

Внутреннее устройство АЛУ

Мы уже разобрали, что условно АЛУ можно разделить на две части:

• УУ (микропрограммное устройство). Задает последовательность команд и микрокоманд.
• ОУ. Здесь реализуется ранее заданная последовательность команд и микрокоманд. Операционные устройства, в свою очередь, разделяются по типу обрабатываемой информации, по способу обработки данных, логической структуре.

При этом условно состав АЛУ также подвергается следующей градации:

• Регистры. Служат для обработки данных, поступающих как из пассивной, так и из оперативной памяти.
• Логические команды. Служат для обработки слов по микрокомандам. Последние, естественно, будут поступать из УУ — устройства управления.

Сами микрокоманды делятся на две категории:

• Поступают от внешнего источника в АЛУ. Вызывают в арифметико-логическом устройстве преобразование информации.
• Генерируются в самом АЛУ. Оказывают свое влияние на микропрограммное устройство. Тем самым изменяют нормальный, стандартный порядок следования команд.

Функции регистров АЛУ

Чтобы иметь представление о работе АЛУ, нам нужно поближе познакомиться с функциями его регистров:

• Pr1. Это аккумулятор или аккумуляторы. Считается главным регистром устройства, в котором и образуется результат произведенных вычислений.
• Pr2, Pr3. Регистры операндов в зависимости от характера исполняемой операции — слагаемого, делителя, сомножителя и проч.
• Pr4. Это адресный регистр. Он запоминает (в иных случаях формирует) адреса операндов результата.
• Pr6. Некое количество индексных регистров. Их содержимое будет использоваться для формирования адресов.
• Pr7. Вспомогательные регистры. По желанию разработчика могут стать аккумуляторами, индексными или вовсе использоваться для сохранения промежуточных результатов вычисления.

Теперь предлагаем вам обратиться к конкретным алгоритмам работы АЛУ.

Операция сложения

Функционально арифметико-логическое устройство будет состоять из Регистра 1, Регистра 2, сумматора и схемы управления.

Теперь распишем арифметическую операцию по тактам:

1. Значение операнда № 1, участвующего в операции сложения, поступает в Регистр 1 по кодовой шине.
2. Значение операнда № 2, участвующего в операции сложения, поступает в Регистр 2 по кодовой шине.
3. Соответственно, по кодовой шине инструкций в схему управления поступает инструкция по выполнению данной операции.
4. Данные из регистров уходят в сумматор. Далее схема управления уже дает команду на выполнение сложения.
5. Результат по произведенной операции уходит в Регистр 1.
6. Результат операции арифметико-логического устройства далее поступает в результирующий блок.

Операция вычитания

Давайте рассмотрим выполнение еще одной простой арифметической операции:

1. Значение операнда № 1, принимающего участие в операции вычитания, проходит в Регистр 1 по кодовой шине.
2. Значение операнда № 2, принимающего участие в операции вычитания, проходит в Регистр 2 по кодовой шине.
3. Инструкция по выполнению данного алгоритма выводится по кодовой шине инструкций к схеме управления.
4. Происходит переформирование положительного числа в отрицательное схемой управления.
5. Результат такого преобразования операнда идет далее в сумматор.
6. Сумматор выполняет сложение данных чисел.
7. Результат операции поступает в Регистр 1.
8. Результат операции вычитания отправляется в результирующий блок.

Операции в устройстве

И еще одна тема напоследок. Мы должны помнить, что все операции,выполняемые в АЛУ, — логические. Их можно разделить на следующие категории:

• Индексной арифметики.
• Десятичной арифметики.
• Специальной арифметики.
• Двоичной арифметики для значений с фиксированной точкой.
• Двоичной, шестнадцатеричной арифметики для значений с плавающей точкой.
• Над алфавитно-цифровыми полями.
• Над логическими кодами.

Арифметико-логическое устройство — основная часть процессора любого компьютера. Было разработано еще в середине прошлого века прославленным фон Нейманом. Призвано исполнять простые арифметические и логические операции в компьютере. Сегодня существует большое количество разновидностей АЛУ, что видно из множества представленных классификаций данных устройств.

www.syl.ru

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — что это?

Как известно, процессор компьютера состоит из четырех базовых компонентов: арифметико-логического устройства, модуля ввода/вывода, а также блоков памяти и управления. Такую архитектуру определили еще в прошлом веке и, несмотря на то что прошло немало времени, классическая структура фон Неймана остается актуальной.

Что такое АЛУ?

Арифметико-логическое устройство – это один из компонентов процессора, который необходим для осуществления преобразований логического и арифметического типа, начиная элементарными и заканчивая сложными выражениями. Разрядность используемых операндов принято считать длиной слова, или размером.

Главная задача АЛУ заключается в переработке данных, хранящихся в оперативной памяти компьютера. Кроме того, арифметико-логическое устройство способно производить сигналы управления, которые направляют ЭВМ на выбор правильного пути для выполнения необходимого вычислительного процесса в зависимости от итоговых типов данных. Все операции задействуют электронные схемы, каждая из которых структурно делится на тысячи элементов. Такие платы обычно быстродейственные и отличаются высокой плотностью.

В зависимости от сигналов, которые поступают на вход, АЛУ выполняют разные типы операций с двумя числами. Любое арифметико-логическое устройство компьютера предусматривает реализацию четырех базовых действий, сдвигов, а также логических преобразований. Набор операций АЛУ – это его главная характеристика.

Составные части арифметико-логического устройства – это четыре основные группы узлов, которые соответствуют процессам управления, передачи, хранения и преобразования поступающих данных.

Узлы хранения АЛУ

К этой категории относятся:

• триггеры, хранящие вспомогательные биты и разные признаки результатов;
• регистры, отвечающие за целостность операндов, промежуточных и конечных итогов.

Иногда регистры арифметико-логического устройства могут объединяться в специализированный блок памяти, а триггеры — формировать единый регистр состояния.

Узлы передачи АЛУ

К этой категории относятся:

• шины, соединяющие между собой блоки устройства;
• мультиплексоры и вентили, отвечающие за выбор правильного направления выполнения операций.

Узлы преобразования АЛУ

Сюда относятся:

• сумматоры, выполняющие микрооперации;
• схемы выполнения логических действий;
• сдвигатели;
• корректоры для десятичной арифметики;
• преобразователи кода, использующиеся для получения обратных или дополнительных данных;
• счетчики для подсчета количества выполненных циклов и для реализации вспомогательных преобразований.

Узлы управления АЛУ

К этой категории объектов относятся:

• контрольный блок;
• дешифратор сигналов;
• схемы преобразования логических признаков, необходимые для формирования ветвей для выполнения микропрограмм.

Действие устройства управления процессора

Этот блок отвечает за выработку последовательности функциональных сигналов, нужной для корректного выполнения заданной команды. Как правило, такие преобразования реализуются за несколько тактов.

Управляющее устройство обеспечивает автоматическое выполнение программы. При этом задействуются необходимые координированные ответвления работы прочих составляющих компонентов машины.

За действие устройства управления отвечает базовый принцип микропрограммирования, имеющий четкое число характеристик.

Классификация АЛУ

Арифметико-логические устройства по способу оперирования переменными делят на параллельные и последовательные. Главное отличие между этими АЛУ заключается в способе представления операндов и выполнения операций.

По характеру использования арифметико-логические устройства делят на многофункциональные и блочные. В АЛУ первого типа для выполнения операций с различными формами преставления чисел используются одни и те же схемы, которые приспосабливаются к затребованному режиму работы с данными. В блочных устройствах все операции выполняются через распределение по видам данных. Для действий с десятичными числами, цифровыми и алфавитными полями, цифрами с плавающей или фиксированной точкой используются различные схемы. При этом арифметико-логическое устройство работает намного быстрее благодаря параллельному выполнению заданных задач. Но у них есть и недостаток – увеличенные затраты на поддержку оборудования.

Арифметико-логическое устройство по способу представления может использоваться для:

• десятичных чисел;
• чисел с плавающей точкой;
• чисел с фиксированной точкой.

Операции устройства

Структура АЛУ предполагает выполнение действий через логические функции, которые делятся на такие группы:

• десятичная арифметика;
• двоичная арифметика для цифр с четко обозначенной точкой;
• шестнадцатеричная арифметика для выражений с плавающим разделителем;
• модификация адресов команд;
• операции логического типа;
• преобразование алфавитно-цифровых полей;
• специальная арифметика.

Современные электронно-вычислительные машины способны реализовать все вышеупомянутые типы активности, а микроЭВМ не имеют такого базового функционала, поэтому наиболее сложные процедуры выполняют через подключение небольших подпрограмм.

Арифметические операции и логические процедуры

Все действия АЛУ можно условно разделить на несколько групп.

Арифметические операции включают в себя деление, умножение, вычитание модулей, обычное вычитание и сложение.

К группе логических преобразований причисляют логическое «и» и «или», то есть конъюнкцию и дизъюнкцию, а также сравнение данных на равенство. Такие процедуры, как правило, проводят над двоичными словами, состоящими из множества разрядов.

К специальным арифметическим операциям относятся нормализация, логический и арифметический сдвиги. Между этими преобразованиями есть существенная разница. Если при арифметическом сдвиге в местоположении меняют лишь цифровые разряды, то при логическом знаковый разряд присоединяется к движению.

Каждую операцию, которая происходит посредством использования арифметико-логического устройства, можно назвать последовательностью функций логического типа, которые описываются многоразрядной логикой для электронно-вычислительных машин. К примеру, для двоичных ЭВМ используется двоичная логика и так далее, вплоть до десятеричной системы.

Абсолютно у всех арифметико-логических преобразований есть собственные операнды, а результаты на выходе трактуются как битовые строки с шестнадцатью разрядами. Исключением являются лишь примитивы знакового деления DIVS. А разнообразные флаги позволяют трактовать данные на выходе как цифры со знаком минус или плюс при переполнении. Логика преобразования битов строится на арифметике по модулю. Флаг ставится, если произошли непредсказуемые изменения со знаком. К примеру, складывая два положительных числа, вы должны получить результат со знаком «+». Но если происходит перенос в знаковый бит, устанавливающий единицу, а итог получается отрицательным, то устанавливается флаг переполнения.

Логика бита переноса базируется на беззнаковой арифметике. Этот флаг устанавливается системой, если сгенерированный перенос из старшего разряда не может быть записан как результат. Этот бит АЛУ очень эффективен при использовании преобразований с многословными представлениями.

Заключение

Арифметико-логическое устройство используется для выполнения логических и арифметических преобразований над необходимыми операндами, в роли которых часто выступают команды или коды чисел. После выполнения действия результат вновь поступает в запоминающее устройство для использования в следующих вычислениях.

fb.ru

Арифметико-логическое устройство — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Комбинационная логическая схема 4-битного АЛУ, реализованная в 24-выводной микросхеме ТТЛ, модель 74181, впервые разработанная и ранее изготавливаемая фирмой Texas Instruments. Выполняет сложение, вычитание, все элементарные логические функции и битовые сдвиги над двумя 4-битовыми операндами. Не содержит в своем составе регистров

Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (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 2(22)∗2=28=256{\displaystyle 2^{(2^{2})*2}=2

encyclopaedia.bid

4.Устройство управления (уу), функции уу.

2. Типовая структура микропроцессора (на примере 8-разрядного МП i8080).

• Микропроцессор состоит из трех основных блоков (Арифметико-логическое устройство (АЛУ, Блок внутренних регистров (микропроцессорная память)

Устройство управления (УУ) и внутренних шин данных. Внутренние шины данных используются для передачи данных между блоками МП.

3.Арифметико-логическое устройство (АЛУ), функции АЛУ.

АЛУ выполняет одну из главных функций МП – обработку данных. Перечень функций АЛУ зависит от типа МП. Функции АЛУ определяют архитектуру МП в целом.

Основные функции АЛУ:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ).

Основные функции АЛУ:

• Прием операндов из ОЗУ и регистров (микропроцессорной памяти).

• Выполнение арифметических и логических операций.

• Передача результатов в регистры и в ОЗУ.

• Формирование признаков результатов выполнения операций и их запись в регистр слова состояния процессора.

В состав АЛУ входят сумматоры, которые непосредственно выполняют элементарные операции, регистры для хранения операндов и результатов, сдвиговые регистры, логические схемы И, ИЛИ, НЕ, схемы для преобразования прямого кода числа в дополнительную форму и дополнительные схемы аппаратного умножения и деления для целочисленных операндов.

Упрощенная структурная схема АЛУ показана на рисунке

Состав структурной схемы:

Сумматор – вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Рг1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Рг2) – разрядность слова.

Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.

Основные элементы АЛУ. Основой АЛУ является одноразрядный сумматор, схема которого обеспечивает суммирование цифры одного разряда 2-го числа с учетом бита переноса из соседнего младшего разряда 1-го числа.

Схема одноразрядного полусумматора

Рассмотренный сумматор выполняет операцию сложения в соответствии с нижеследующей таблицей

a	b	c	S’	P’	S	P
0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	1	0	1	0
0	1	0	1	0	1	0
1	1	0	0	1	0	1
0	0	1	0	0	1	0
1	0	1	1	0	0	1
0	1	1	1	0	0	1
1	1	1	0	1	1	1

a – соответствующий разряд 1-го числа;

b – соответствующий разряд 2-го числа;

с – бит переноса из соседнего младшего разряда;

S’ – значение цифры суммы в данном разряде полусумматора;

P’ – цифра переноса в следующий (старший) разряд полусумматора;

S – значение цифры суммы в данном разряде;

P – цифра переноса в следующий (старший) разряд.

Практически все операции в АЛУ сводятся к сложению и дополнительным операциям сдвига и преобразования кода.

Основные функции:

• Формирование адреса инструкции;

• Считывание инструкции из ОЗУ (ПЗУ) и её хранение во время выполнения;

• Дешифрация кода операции;

• Формирование управляющих сигналов;

• Считывание из регистра команд и регистров микропроцессорной памяти отдельных составляющих адресов операндов (чисел), уча­ствующих в вычислениях, и формирование полных адресов операндов;

• Выборка операндов (по сформированным адресам) и выполнение заданной операции обработки этих операндов.

• Запись результатов операции в память;

• Формирования адреса следующей команды программы.

5. Стек, указатель стека, принцип работы стека.

Стек – это набор регистров МП или ячеек оперативной памяти, откуда данные или адреса выбираются «сверху» по принципу: последним записан – первым считан (Last Input First Output – LIFO).

При записи в стек очередного слова все ранее записанные слова смещаются на один регистр вниз.

При выборе слова из стек оставшиеся слова перемещаются на один регистр вверх.

Принцип работы стека:

Как правило в реальных МП (например x86) данные между ячейками не переносятся, а для хранения адреса последнего по времени поступления элемента стека используется специальный регистр – указатель стека (УС).

Адресация элемента стека с использованием указателя стека:

Регистр	0	1	2	3	4	5	6	7
ус	000	001	010	011	100	101	110	111

9.Оперативное запоминающее устройство (озу), постоянное запоминающее устройство (пзу). Статические запоминающие устройства. Динамические запоминающие устройства

Операти́вная па́мять (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.).

Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций.

Оперативная память передает процессору данные непосредственно, либо через кеш-память.

Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок или входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера

Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с ЦП

На сегодня наибольшее распространение имеют два вида ОЗУ:

Статическое ОЗУ 

• Статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM — Static Random Access Memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние сигнала без постоянной перезаписи.

• Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может только, пока есть питание, т.е. SRAM остается энергозависимым типом памяти.

• Двоичная SRAM

   

• Типичная ячейка статической двоичной памяти (двоичный триггер) на КМОП-технологии состоит из двух перекрестно (кольцом) включенных инверторов и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке.

• Часто для увеличения плотности упаковки элементов на кристалле в качестве нагрузки применяют поликремниевые резисторы.

• Недостатком такого решения является рост статического энергопотребления.

– Типичная ячейка статической двоичной памяти

 Линия WL (Word Line) управляет двумя транзисторами доступа. Линии !BL и BL (Bit Line) – битовые линии, используются и для записи данных и для чтения данных.

Запись. При подаче «0» на линию !BL или BL параллельно включенные транзисторные пары (M5 и M1) и (M6 и M3) образуют логические схемы 2ИЛИ, последующая подача «1» на линию WL открывает транзистор M5 или M6, что приводит к соответствующему переключению триггера.

Чтение. При подаче «1» на линию WL открываются транзисторы M5 и M6, уровни записанные в триггере выставляются на линии !BL и BL, и попадают на схемы чтения.

 

Для выбора ячеек (WL) используются дешифратор адреса.

Преимущества:

• Быстрый доступ. SRAM — это действительно память произвольного доступа, доступ к любой ячейке памяти в любой момент занимает одно и то же время.

• Простая схемотехника — SRAM не требуются сложные контроллеры.

• Возможны очень низкие частоты синхронизации, вплоть до полной остановки синхроимпульсов.

Недостатки:

• Невысокая плотность записи (шесть элементов на бит, вместо двух у DRAM).

• Высокое энергопотребление.

Вследствие чего — дороговизна килобайта памяти.

Тем не менее, высокое энергопотребление не является принципиальной особенностью SRAM, оно обусловлено высокими скоростями обмена с данным видом внутренней памяти процессора.

Энергия потребляется только в момент изменения информации в ячейке SRAM.

Применение

• SRAM применяется в микроконтроллерах и ПЛИС, в которых объем ОЗУ невелик (единицы килобайт), зато нужны низкое энергопотребление (за счет отсутствия сложного контроллера динамической памяти), предсказываемое с точностью до такта время работы подпрограмм и отладка прямо на устройстве.

• В устройствах с большим объемом ОЗУ рабочая память выполняется как DRAM.

SRAM’ом же делают регистры и кэш-память

Динамические ОЗУ

 

Динамическая память — Dynamic RAM — получила свое название от принципа действия ее запоминающих ячеек, которые выполнены в виде конденсаторов, образованных элементами полупроводниковых микросхем.

При отсутствии обращения к ячейке со временем за счет токов утечки конденсатор разряжается и информация теряется, поэтому такая память требует периодической подзарядки конденсаторов (обращения к каждой ячейке) — память может работать только в динамическом режиме.

Этим она принципиально отличается от статической памяти, реализуемой на триггерных ячейках и хранящей информацию без обращений к ней сколь угодно долго (при включенном питании).

– Запоминающая ячейка динамического ОЗУ

Запоминающие ячейки микросхем DRAM организованы в виде двумерной матрицы.

Адреса строки и столбца передаются по мультиплексированной шине адреса MA (Multiplexed Address) и стробируются по спаду импульсов RAS# (Row Access Strobe) – строка и CAS# (Column Access Strobe) – столбец.

Совокупность ячеек DRAM образуют условный «прямоугольник», состоящий из определённого количества строк и столбцов.

Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком.

Весь набор ячеек условно делится на несколько областей.

Типовая структура микросхемы динамической ОЗУ

studfile.net

расшифровка, определение и принцип работы

Как все мы знаем из школьного курса информатики, в основе любого CPU лежит четыре основные составляющие: арифметико-логического устройства или сокращенно АЛУ, модуля ввода-вывода, а также блока управления и памяти.

Эта архитектура была разработана величайшим математиком всех времен и народов Джоном фон Найманом и легла в основу первого созданного центрального процессора. С тех пор CPU претерпел множество доработок и модернизаций, однако, базовый принцип его построения остался нетронутым.

Определение

АЛУ — это один из узлов ЦП, который отвечает за реализацию всех логических и арифметических преобразований различных уровней сложности, которые протекают в электронно-вычислительной машине. В качестве выполняемых операций используются операнды, длина которых соответствует длине слова или его размеру.

Главным предназначением этого узла является обработка данных, которые находятся в оперативно запоминающем устройстве компьютера. Помимо этого, АЛУ генерирует управляющие сигналы, которые являются для электронно-вычислительной машины своего рода инструкциями, указывающими что необходимо делать с определенным набором данных. Каждая из операций, происходящих в процессоре, выполняется при помощи электронных схем, которые могут состоять из нескольких тысяч электронных элементов, установленных очень плотно друг к другу.

Поступающие на вход АЛУ электронные сигналы генерируют определенный тип обработки данных, выраженных в двоичной системе исчисления. Всего существует четыре разновидности заданных типов действий, которыми способен работать этот узел центрального процессора. Таким образом, количество базовых операций является основной характеристикой этого узла процессора.

В свою очередь, для выполнения определенной операции с данными, в АЛУ реализовано четыре элемента, на каждый из которых возложено выполнение определенных задач: управление, передача, хранение и преобразование данных, поступающих на вход узла из оперативной памяти.

Узлы хранения

К этой составляющей относятся следующие электронные элементы:
— триггеры, отвечающие за хранение вспомогательных данных и конечных результатов, необходимых для выполнения различных процессов;
— регистры, основным предназначением которых является сохранение целостной структуры аргументов операций промежуточных и конечных результатов.
В некоторых случаях совокупность регистров может выступать в качестве блока памяти, а триггеры — в качестве общего регистра состояния.

Узлы передачи

Составляющей этого узла центрального процессора являются:
— шины, отвечающие за объединение блоков АЛУ и их обоюдное взаимодействие;
— мультиплексоры и вентили, благодаря которым задается нужное направление выполняемых преобразований.

Узлы преобразования

Элементами этого узла выступают:

— сумматоры, отвечающие за выполнение микроопераций;
— сдвигатели;
— схемы выполнения логических операций;
— корректоры для десятичной арифметики;
— преобразователи кода, которые принимают участие в операциях с обратными и дополнительными данными, которые могут потребоваться в процессе преобразования;
— счетчики, осуществляющие подсчет завершенных циклов преобразования данных.

Узлы управления

Основными элементами узла управления являются:

— контрольный блок;
— дешифратор сигналов;
— схемы преобразования логических признаков, которые формируют ветви выполнения заданных команд.

Принцип работы

В процессе работы CPU, в рассматриваемом нами узле создаются электронные сигналы, подаваемые на другие узлы ЦП строго в определенной последовательности, которые необходимы для выполнения поставленной задачи. Этот процесс осуществляется поэтапно и состоит из нескольких тактов.
Управляющее устройство отвечает за выполнение программ в автоматическом режиме, однако, в процессе его работы могут применяться прерывания, необходимые для вовлечения в работу прочих узлов процессора. Работа устройства управления возможно благодаря основному принципу микропрограммирования, который обладает определенным набором характеристик.

Разновидности арифметико-логического устройства

В зависимости от принципа работы и метода обработки массивов данных АЛУ можно разделить на две категории: последовательные и параллельные. Эти категории различаются методами представления элементов операций и их реализации.

Помимо этого, существует еще классификация АЛУ по характеру использования, в которой этот узел подразделяется на блочные и многофункциональные. Для первого типа характерно распределение данных по однотипным блокам и последующее их выполнение. В процессе работы второго типа для обработки данных задействуются все имеющиеся микросхемы, которые, в свою очередь, могут приспосабливаться под различные типы данных. За обработку различных видов данных отвечают определенные микросхемы.

При этом высокая скорость работы АЛУ достигается благодаря тому, что все задачи выполняются в параллельном режиме, что обеспечивает их многозадачность, однако, такой принцип работы сопровождается и большим энергопотреблением. По способу представления данных, АЛУ могут использоваться для работы с десятичными числами, а также числами, использующими плавающую или фиксированную запятую.

Арифметические операции и логические процедуры

Все процессы, происходящие в узле арифметико-логических преобразований, можно подразделить на несколько категорий. Арифметические операции представляют собой основные математические операции такие как деление, умножение, вычитание модулей, обычное вычитание и сложение.
Для категории логических преобразований характерны операции конъюнкции, которые сопоставимы с союзом «и», дизъюнкции — сопоставимой с логической операций, смысл которой приближен к союзу «или», а также операции сравнения различных данных на предмет равенства. Чаще всего в логических преобразованиях используются двоичные слова, в состав которых входят множественные разряды.

Любую операцию, происходящую в АЛУ, можно представить в виде строгой последовательности логических функций, выраженных при помощи многоразрядной электронно-вычислительной логики. Например, для двоичных электронно-вычислительных систем применяется и аналогичный тип логики и так до десятичной системы.

В любом преобразовании данных, происходящем в арифметико-логическом устройстве, присутствуют свои аргументы операции, а конечные результаты обработки данных выражаются в виде шестнадцатиразрядных битовых строк. Обработанные во время преобразования данные, выражаются в цифровом виде со знаком плюс или минус, в зависимости от наличия переполнения, при помощи специальных флагов, которые используются при непредсказуемых изменениях знака, который выражается в виде отдельного бита. Логика переноса бита между системами различных разрядов происходит по принципу беззнаковой арифметики. Таким образом, система присваивает знак плюс в том случае, если обрабатываемые данные в старшем разряде не могут быть выражены конечным результатом в младшем разряде.

bezwindowsa.ru

арифметико-логическое устройство — это… Что такое арифметико-логическое устройство?



арифметико-логическое устройство

арифме́тико-логи́ческое устро́йство

(АЛУ), часть процессора компьютера, в которой непосредственно выполняются арифметические и логические операции над числами, обычно выраженными в двоичном коде. Состоит из двоичных сумматоров, регистров для кратковременного хранения чисел и устройства управления. Основными параметрами являются разрядность (32–64 разряда в современных компьютерах) и быстродействие (время выполнения одной элементарной операции, напр. сложения). Строится с помощью логических элементов – электронных устройств, выполняющих простейшие логические операции над входными сигналами в соответствии с правилами алгебры логики.

Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн. 2006.

.

• ареометр
• арифмометр

Смотреть что такое «арифметико-логическое устройство» в других словарях:

• арифметико-логическое устройство — АЛУ Часть процессора, выполняющая набор его арифметических и логических команд. [http://www.morepc.ru/dict/] Тематики информационные технологии в целом Синонимы АЛУ EN ALUArithmetic Logic Unit …   Справочник технического переводчика

• арифметико-логическое устройство — (АЛУ), часть ЭВМ, в которой непосредственно выполняются арифметические и логические операции над числами …   Энциклопедический словарь

• АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО — (АЛУ), часть ЭВМ, в к рой непосредственно выполняются арифметич. и логич. операции над числами …   Естествознание. Энциклопедический словарь

• Арифметическо-логическое устройство — Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей …   Википедия

• Читающее устройство —         читающий автомат, устройство для автоматического распознавания изображений букв, цифр или других знаков, напечатанных или написанных на бумаге в обычном для человека виде. Ч. у. предназначены преимущественно для автоматического ввода… …   Большая советская энциклопедия

• ЦЕНТРАЛЬНОЕ ПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО — (ЦПУ), часть цифрового компьютера, которая управляет всеми операциями. В большинстве современных компьютеров ЦПУ состоит из одной СЛОЖНОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ (ИС), выполненной в виде ЧИПА, носящего название МИКРОПРОЦЕССОРА. ЦПУ содержит также… …   Научно-технический энциклопедический словарь

• АЛУ — арифметико логическое устройство …   Универсальный дополнительный практический толковый словарь И. Мостицкого

• КОМПЬЮТЕР — устройство, выполняющее математические и логические операции над символами и другими формами информации и выдающее результаты в форме, воспринимаемой человеком или машиной. Первые компьютеры использовались главным образом для расчетов, т.е.… …   Энциклопедия Кольера

• АЛУ — арифметико логическое устройство арифметическое логическое устройство …   Словарь сокращений русского языка

• Процессор —         центральное устройство ЦВМ, выполняющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействием устройств вычислительной машины. Иногда вместо термина «П.» употребляют… …   Большая советская энциклопедия

dic.academic.ru

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — МегаЛекции

Студент должен

Знать:

· Назначение и принцип работы арифметико-логического устройства, параметры.

Уметь:

· По заданным параметрам выбрать по справочнику микросхему компаратора (АЛУ).

Арифметико-логическое устройство АЛУ(ALU, Arithmetic-Logic Unit)предназначено для выполнения логических и арифметических операций над двумя входными многоразрядными словами.

 

 

АЛУ относится к комбинационному типу, т.е. состояние выходных сигналов устройства определяется комбинацией входных сигналов. Для фиксации операндов, результатов вычисления АЛУ работает в сочетании с элементами памяти: регистрами, оперативными запоминающими устройствами и другими элементами памяти.

АЛУ значительно дороже простых ИМС, но за счёт возможности программируемой смены выполняемых действий их применение часто оправдано.

Основой АЛУ служит сумматор, схема которого дополнена логикой, расширяющей функциональные возможности АЛУ и обеспечивающей его перестройку с одной операции на другую.

В качестве примера рассмотрим четырёхразрядное АЛУ, выполненное на ИМС К155ИП3. Условное обозначение АЛУ приведено на рисунке 7.16.

Рисунок 7.16

На рисунке 7.17 представлена логическая структура микросхемы К155ИП3.

Рисунок 7.17

 

Микросхема К155ИП3 предназначена для действий с двумя четырехразрядными словами A=A3A2A1A0 и В=В3В2В1В0.

Конкретный вид операции, выполняемой микросхемой, задается 5-разрядным кодом на входах MS3S2S1S0. Всего это АЛУ способно выполнить 32 операции(2⁵=32):

· 16 логических (И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ и др.) при М=1;

· 16 арифметико-логических (сложение, вычитание, удвоение, сравнение чисел и ряд иных) при М=0.

При выполнении логических операций внутренние переносы запрещаются.

Операции сложения и вычитания проводятся с ускоренным переносом из разряда в разряд. Кроме того, имеется вход приема сигнала переноса Сn.

На выходах F3,F2,F2 и F0 формируются результаты логических преобразований и арифметических действий. На выходе переноса Сn+4 образуется сигнал старшего (пятого) разряда при выполнении арифметических операций.

Дополнительные выходы — образование ускоренного переноса G и распространение ускоренного переноса Р — используются только при организации многоразрядных АЛУ в случае их сочетания с блоком ускоренного переноса К155ИП4 (или 564ИП4 для микросхем КМОП), о чем будет сказано ниже.

Все виды операций и результаты вычислений применительно к положительной логике сведены в таблицу 7.3.

Таблица 7.3 — Функциональная зависимость выходов микросхемы К155ИПЗ от состояния выходов

В таблице истинности результаты арифметических операций выражены в дополнительном коде. Как отмечалось, числа в дополнительном и в обратном коде связаны простым соотношением N_доп = N_o6p+1 или N_o6p=N_доп — 1. Поэтому в тех строках таблицы 7.3, где указана операция «минус 1», результат арифметических действий представлен в обратном коде.

Старший разряд кода выбора операций (вход М) определяет характер действий, выполняемых АЛУ. Когда на этом входе сигнал высокого уровня, АЛУ производит логические операции поразрядно над каждой парой бит слов А и В. Внутренний перенос в этом режиме бездействует.

Если АЛУ выполняет логико-арифметическую операцию, логическая функция реализуется поразрядно, а арифметическая с переносом.

Например, входному коду MS3S2S1S0=01101₂ отвечает операция (А˅В) плюс А (третья снизу строка таблицы 7.3). Первой выполняется операция в скобках — (А˅В) — логическое сложение двух слов. Если А=1010₂ В=0111₂, то первая операция дает (А˅В)=1111₂ .Второй выполняется операция арифметического сложения числа А с результатом логического сложения. Следовательно 1111₂ плюс 1010₂=11111₂.

При использовании АЛУ в качестве компаратора сигнал снимают с входа А=В (вывод 14). Этот выход — с открытым коллектором, и к источнику питания его следует подключать через внешний резистор 1 кОм.

Режим компаратора обеспечивается при М=1 и S3S2S1S0=0110₂. Когда числа А и В равны, на входе А=В формируется сигнал высокого уровня.

Одновременно на выходе Сn+4 (вывод 16) характеризует соотношение между числами А и В и в случае их неравенства согласно таблицы 7.4.

Для арифметических действий над словами большей длины АЛУ включают последовательно. В этом случае время суммирования определяется задержкой распространения сигнала переноса со входа младшего разряда до выхода с последнего АЛУ и составляет t_зд.р=4τ_зд.р, где τ — задержка распространения сигнала переноса в одной АЛУ.

 

Таблица 7.4 — Таблица истинности микросхемы К155ИП3 в режиме четырёх разрядного компаратора (S3=0, S2=1, S1=1, S0=0)

Вид логики	Состояние входов	Состояние выхода Сn+4
Сn	А и В
Положительная логика		А≤В
	А<В
	А>В
	А≥В

 

Уменьшить время суммирования можно применением микросхем К155ИП4 (564ИП4), специально разработанных для организации ускоренного переноса между отдельными АЛУ, а также между группами АЛУ. Со схемой ускоренного переноса время суммирования сокращается примерно до τ_зд.р. Изображение микросхемы приведено на рисунке 7.18.

Рисунок 7.18

Если при выполнении арифметических операций к быстродействию не предъявляется высоких требований, то при каскадировании АЛУ схемы ускоренного переноса не используют.

При помощи микросхемы К155ИП4 (564ИП4) можно сформировать ускоренный сквозной перенос при выполнении операции сложения группой из четырехАЛУ (16-разрядные числа), что дает определенный выигрыш во времени сравнительно с последовательным переносом. Последовательное соединение нескольких таких микросхем, каждая из которых спарена с АЛУ, позволяет выполнять ускоренный перенос и с большим числом разрядов.

Сигналы образования группового переноса G0 – G3и сигналы распространения группового переноса Р0-Р3 с выходов АЛУ подключают с учетом разрядности к соответствующим входам микросхемы ускоренного переноса (рисунок 7.19).

Рисунок 7.19

В случае наращивания микросхем ускоренного переноса (для чисел, число разрядов которых превышает 16) используются выходы Р и G. С помощью четырёх таких микросхем в сочетании с 16 микросхемами АЛУ можно построить 64-разрядное АЛУ.

Контрольные вопросы:

1. Какие функции выполняет АЛУ?

2. Какие устройства входят в структуру АЛУ?

3. Способно ли АЛУ хранить результат выполненной операции?

4. Объяснить назначение выводов микросхемы К155ИП3?

5. Сколько операций и какого характера может выполнить АЛУ?

6. При каких операциях разрешаются внутренние переносы?

7. Как запрограммировать АЛУ на выполнение арифметического суммирования, вычитания?

8. Объяснить в каких случаях на выходе микросхемы Сn+4 появится активный сигнал. О чем он указывает?

9. Какой результат выдаст АЛУ при подаче на его входы сигналов: А=0101; В=0010; S=1001; M=0; С=0?

10. В какой последовательности АЛУ будет выполнять операцию ?

11. Привести пример использования АЛУ в качестве мультиплексора.

12. Можно ли использовать АЛУ в качестве четырехразрядного компаратора? Привести пример.

13. Как увеличить разрядность АЛУ для выполнения операций над восьмиразрядными операндами?

 

---

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

megalektsii.ru