Арифметико логическое устройство входит в состав: Что такое арифметико-логическое устройство (АЛУ) :: SYL.ru

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.

Содержание

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.
, арифметико логическое устройство компьютера

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.
арифметико логическое устройство является составной частью

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.
арифметико логическое устройство является составной частью

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.

составные части арифметико логического устройства

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.
арифметико логическое устройство процессора

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.
алу арифметико логическое устройство

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 устройство управления

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.

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.

арифметико логическое устройство

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.

устройства управления

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.
арифметические операции

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.

составные части арифметико логического устройства

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.

арифметико логическое устройство компьютера

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.

структура алу

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.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Арифметико-логическое устройство

Аннотация: Рассматриваются особенности реализации арифметико-логического устройства компьютера на примере проектирования АЛУ для умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя.

Классическая ЭВМ состоит из трех основных устройств: арифметико-логического устройства, устройства управления и запоминающего устройства. Рассмотрим особенности организации этих устройств. Прежде всего, рассмотрим структуру арифметико-логического устройства.

В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство не является самостоятельным схемотехническим блоком. Оно входит в состав микропроцессора, на котором строится компьютер. Однако знание структуры и принципов работы АЛУ весьма важно для понимания работы компьютера в целом. Для лучшего понимания этих вопросов проведем синтез арифметического устройства, предназначенного для выполнения только одной операции – умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя [13] . В ходе этого процесса также обратим внимание на особенности использования рассмотренных выше основных схемотехнических элементов ЭВМ.

Синтез АЛУ проходит в несколько этапов. Сначала необходимо выбрать метод, по которому предполагается выполнение операции, и составить алгоритм соответствующих действий. Исходя из алгоритма и формата исходных данных, следует определить набор составляющих АЛУ элементов. Затем требуется определить связи между элементами, установить порядок функционирования устройства и временную диаграмму управляющих сигналов, которые должны быть поданы на АЛУ от устройства управления.

Пусть операнды имеют вид:

[X]пк = x0x1x2…xn
[Y]пк = y0y1y2…yn

где x0, y0 – знаковые разряды.

Операция умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя выполняется по следующей формуле:

Sign Z = Sign X \oplus  Sign Y
\\
[X]_{пк} = 0.1101; Sign X = 0
\\
[Y]_{пк} = 1.1011; Sign Y = 1
\\
Sign Z = 0 \oplus  1 = 1
\\

Алгоритм вычислений представлен на рис. 3.1

Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя
Рис. 3.1. Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя

Каждой переменной, представленной в алгоритме, в схеме должен соответствовать элемент хранения. Разрядность модуля произведения равна сумме разрядностей сомножителей. Умножение двоичного числа на 2-i обеспечивается сдвигом этого числа вправо на соответствующее количество разрядов. Переход к анализу очередного разряда множителя ( i = i + 1 ) может быть обеспечен сдвигом регистра множителя на один разряд в сторону старших разрядов.

Исходя из этого, определим состав оборудования, необходимого для реализации АЛУ заданного типа для n = 4 ( таблица 3.1).

Таблица 3.1.
Схема Разрядность Функции Управляющий сигнал
Регистр модуля множимого RGX 8 Загрузка. Сдвиг в сторону младших разрядов. УС1 УС2
Регистр модуля множителя RGY 4 Загрузка. Сдвиг в сторону старших разрядов. УС3 УС4
Регистр модуля результата RGZ 8 Загрузка. Установка в " 0 ". УС5 УС6
Триггер знака множимого TX Загрузка УС7
Триггер знака множителя TY Загрузка УС8
Триггер знака результата TZ Загрузка УС9
АЛУ 8 Комбинационный сумматор
Комбинационные схемы Получение на входе АЛУ сигналов " 0 " или RGX в зависимости от значения yi

Структурная схема устройства представлена на рис. 3.2.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Арифметико-логическое устройство

Аннотация: Рассматриваются особенности реализации арифметико-логического устройства компьютера на примере проектирования АЛУ для умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя.

Классическая ЭВМ состоит из трех основных устройств: арифметико-логического устройства, устройства управления и запоминающего устройства. Рассмотрим особенности организации этих устройств. Прежде всего, рассмотрим структуру арифметико-логического устройства.

В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство не является самостоятельным схемотехническим блоком. Оно входит в состав микропроцессора, на котором строится компьютер. Однако знание структуры и принципов работы АЛУ весьма важно для понимания работы компьютера в целом. Для лучшего понимания этих вопросов проведем синтез арифметического устройства, предназначенного для выполнения только одной операции – умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя [13] . В ходе этого процесса также обратим внимание на особенности использования рассмотренных выше основных схемотехнических элементов ЭВМ.

Синтез АЛУ проходит в несколько этапов. Сначала необходимо выбрать метод, по которому предполагается выполнение операции, и составить алгоритм соответствующих действий. Исходя из алгоритма и формата исходных данных, следует определить набор составляющих АЛУ элементов. Затем требуется определить связи между элементами, установить порядок функционирования устройства и временную диаграмму управляющих сигналов, которые должны быть поданы на АЛУ от устройства управления.

Пусть операнды имеют вид:

[X]пк = x0x1x2…xn
[Y]пк = y0y1y2…yn

где x0, y0 – знаковые разряды.

Операция умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя выполняется по следующей формуле:

Sign Z = Sign X \oplus  Sign Y
\\
[X]_{пк} = 0.1101; Sign X = 0
\\
[Y]_{пк} = 1.1011; Sign Y = 1
\\
Sign Z = 0 \oplus  1 = 1
\\

Алгоритм вычислений представлен на рис. 3.1

Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя
Рис. 3.1. Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя

Каждой переменной, представленной в алгоритме, в схеме должен соответствовать элемент хранения. Разрядность модуля произведения равна сумме разрядностей сомножителей. Умножение двоичного числа на 2-i обеспечивается сдвигом этого числа вправо на соответствующее количество разрядов. Переход к анализу очередного разряда множителя ( i = i + 1 ) может быть обеспечен сдвигом регистра множителя на один разряд в сторону старших разрядов.

Исходя из этого, определим состав оборудования, необходимого для реализации АЛУ заданного типа для n = 4 ( таблица 3.1).

Таблица 3.1.
Схема Разрядность Функции Управляющий сигнал
Регистр модуля множимого RGX 8 Загрузка. Сдвиг в сторону младших разрядов. УС1 УС2
Регистр модуля множителя RGY 4 Загрузка. Сдвиг в сторону старших разрядов. УС3 УС4
Регистр модуля результата RGZ 8 Загрузка. Установка в " 0 ". УС5 УС6
Триггер знака множимого TX Загрузка УС7
Триггер знака множителя TY Загрузка УС8
Триггер знака результата TZ Загрузка УС9
АЛУ 8 Комбинационный сумматор
Комбинационные схемы Получение на входе АЛУ сигналов " 0 " или RGX в зависимости от значения yi

Структурная схема устройства представлена на рис. 3.2.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Арифметико-логическое устройство

Аннотация: Рассматриваются особенности реализации арифметико-логического устройства компьютера на примере проектирования АЛУ для умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя.

Классическая ЭВМ состоит из трех основных устройств: арифметико-логического устройства, устройства управления и запоминающего устройства. Рассмотрим особенности организации этих устройств. Прежде всего, рассмотрим структуру арифметико-логического устройства.

В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство не является самостоятельным схемотехническим блоком. Оно входит в состав микропроцессора, на котором строится компьютер. Однако знание структуры и принципов работы АЛУ весьма важно для понимания работы компьютера в целом. Для лучшего понимания этих вопросов проведем синтез арифметического устройства, предназначенного для выполнения только одной операции – умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя [13] . В ходе этого процесса также обратим внимание на особенности использования рассмотренных выше основных схемотехнических элементов ЭВМ.

Синтез АЛУ проходит в несколько этапов. Сначала необходимо выбрать метод, по которому предполагается выполнение операции, и составить алгоритм соответствующих действий. Исходя из алгоритма и формата исходных данных, следует определить набор составляющих АЛУ элементов. Затем требуется определить связи между элементами, установить порядок функционирования устройства и временную диаграмму управляющих сигналов, которые должны быть поданы на АЛУ от устройства управления.

Пусть операнды имеют вид:

[X]пк = x0x1x2…xn
[Y]пк = y0y1y2…yn

где x0, y0 – знаковые разряды.

Операция умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя выполняется по следующей формуле:

Sign Z = Sign X \oplus  Sign Y
\\
[X]_{пк} = 0.1101; Sign X = 0
\\
[Y]_{пк} = 1.1011; Sign Y = 1
\\
Sign Z = 0 \oplus  1 = 1
\\

Алгоритм вычислений представлен на рис. 3.1

Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя
Рис. 3.1. Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя

Каждой переменной, представленной в алгоритме, в схеме должен соответствовать элемент хранения. Разрядность модуля произведения равна сумме разрядностей сомножителей. Умножение двоичного числа на 2-i обеспечивается сдвигом этого числа вправо на соответствующее количество разрядов. Переход к анализу очередного разряда множителя ( i = i + 1 ) может быть обеспечен сдвигом регистра множителя на один разряд в сторону старших разрядов.

Исходя из этого, определим состав оборудования, необходимого для реализации АЛУ заданного типа для n = 4 ( таблица 3.1).

Таблица 3.1.
Схема Разрядность Функции Управляющий сигнал
Регистр модуля множимого RGX 8 Загрузка. Сдвиг в сторону младших разрядов. УС1 УС2
Регистр модуля множителя RGY 4 Загрузка. Сдвиг в сторону старших разрядов. УС3 УС4
Регистр модуля результата RGZ 8 Загрузка. Установка в " 0 ". УС5 УС6
Триггер знака множимого TX Загрузка УС7
Триггер знака множителя TY Загрузка УС8
Триггер знака результата TZ Загрузка УС9
АЛУ 8 Комбинационный сумматор
Комбинационные схемы Получение на входе АЛУ сигналов " 0 " или RGX в зависимости от значения yi

Структурная схема устройства представлена на рис. 3.2.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Арифметико-логическое устройство

Аннотация: Рассматриваются особенности реализации арифметико-логического устройства компьютера на примере проектирования АЛУ для умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя.

Классическая ЭВМ состоит из трех основных устройств: арифметико-логического устройства, устройства управления и запоминающего устройства. Рассмотрим особенности организации этих устройств. Прежде всего, рассмотрим структуру арифметико-логического устройства.

В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство не является самостоятельным схемотехническим блоком. Оно входит в состав микропроцессора, на котором строится компьютер. Однако знание структуры и принципов работы АЛУ весьма важно для понимания работы компьютера в целом. Для лучшего понимания этих вопросов проведем синтез арифметического устройства, предназначенного для выполнения только одной операции – умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя [13] . В ходе этого процесса также обратим внимание на особенности использования рассмотренных выше основных схемотехнических элементов ЭВМ.

Синтез АЛУ проходит в несколько этапов. Сначала необходимо выбрать метод, по которому предполагается выполнение операции, и составить алгоритм соответствующих действий. Исходя из алгоритма и формата исходных данных, следует определить набор составляющих АЛУ элементов. Затем требуется определить связи между элементами, установить порядок функционирования устройства и временную диаграмму управляющих сигналов, которые должны быть поданы на АЛУ от устройства управления.

Пусть операнды имеют вид:

[X]пк = x0x1x2…xn
[Y]пк = y0y1y2…yn

где x0, y0 – знаковые разряды.

Операция умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя выполняется по следующей формуле:

Sign Z = Sign X \oplus  Sign Y
\\
[X]_{пк} = 0.1101; Sign X = 0
\\
[Y]_{пк} = 1.1011; Sign Y = 1
\\
Sign Z = 0 \oplus  1 = 1
\\

Алгоритм вычислений представлен на рис. 3.1

Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя
Рис. 3.1. Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя

Каждой переменной, представленной в алгоритме, в схеме должен соответствовать элемент хранения. Разрядность модуля произведения равна сумме разрядностей сомножителей. Умножение двоичного числа на 2-i обеспечивается сдвигом этого числа вправо на соответствующее количество разрядов. Переход к анализу очередного разряда множителя ( i = i + 1 ) может быть обеспечен сдвигом регистра множителя на один разряд в сторону старших разрядов.

Исходя из этого, определим состав оборудования, необходимого для реализации АЛУ заданного типа для n = 4 ( таблица 3.1).

Таблица 3.1.
Схема Разрядность Функции Управляющий сигнал
Регистр модуля множимого RGX 8 Загрузка. Сдвиг в сторону младших разрядов. УС1 УС2
Регистр модуля множителя RGY 4 Загрузка. Сдвиг в сторону старших разрядов. УС3 УС4
Регистр модуля результата RGZ 8 Загрузка. Установка в " 0 ". УС5 УС6
Триггер знака множимого TX Загрузка УС7
Триггер знака множителя TY Загрузка УС8
Триггер знака результата TZ Загрузка УС9
АЛУ 8 Комбинационный сумматор
Комбинационные схемы Получение на входе АЛУ сигналов " 0 " или RGX в зависимости от значения yi

Структурная схема устройства представлена на рис. 3.2.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Арифметико-логическое устройство

Аннотация: Рассматриваются особенности реализации арифметико-логического устройства компьютера на примере проектирования АЛУ для умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя.

Классическая ЭВМ состоит из трех основных устройств: арифметико-логического устройства, устройства управления и запоминающего устройства. Рассмотрим особенности организации этих устройств. Прежде всего, рассмотрим структуру арифметико-логического устройства.

В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство не является самостоятельным схемотехническим блоком. Оно входит в состав микропроцессора, на котором строится компьютер. Однако знание структуры и принципов работы АЛУ весьма важно для понимания работы компьютера в целом. Для лучшего понимания этих вопросов проведем синтез арифметического устройства, предназначенного для выполнения только одной операции – умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя [13] . В ходе этого процесса также обратим внимание на особенности использования рассмотренных выше основных схемотехнических элементов ЭВМ.

Синтез АЛУ проходит в несколько этапов. Сначала необходимо выбрать метод, по которому предполагается выполнение операции, и составить алгоритм соответствующих действий. Исходя из алгоритма и формата исходных данных, следует определить набор составляющих АЛУ элементов. Затем требуется определить связи между элементами, установить порядок функционирования устройства и временную диаграмму управляющих сигналов, которые должны быть поданы на АЛУ от устройства управления.

Пусть операнды имеют вид:

[X]пк = x0x1x2…xn
[Y]пк = y0y1y2…yn

где x0, y0 – знаковые разряды.

Операция умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя выполняется по следующей формуле:

Sign Z = Sign X \oplus  Sign Y
\\
[X]_{пк} = 0.1101; Sign X = 0
\\
[Y]_{пк} = 1.1011; Sign Y = 1
\\
Sign Z = 0 \oplus  1 = 1
\\

Алгоритм вычислений представлен на рис. 3.1

Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя
Рис. 3.1. Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя

Каждой переменной, представленной в алгоритме, в схеме должен соответствовать элемент хранения. Разрядность модуля произведения равна сумме разрядностей сомножителей. Умножение двоичного числа на 2-i обеспечивается сдвигом этого числа вправо на соответствующее количество разрядов. Переход к анализу очередного разряда множителя ( i = i + 1 ) может быть обеспечен сдвигом регистра множителя на один разряд в сторону старших разрядов.

Исходя из этого, определим состав оборудования, необходимого для реализации АЛУ заданного типа для n = 4 ( таблица 3.1).

Таблица 3.1.
Схема Разрядность Функции Управляющий сигнал
Регистр модуля множимого RGX 8 Загрузка. Сдвиг в сторону младших разрядов. УС1 УС2
Регистр модуля множителя RGY 4 Загрузка. Сдвиг в сторону старших разрядов. УС3 УС4
Регистр модуля результата RGZ 8 Загрузка. Установка в " 0 ". УС5 УС6
Триггер знака множимого TX Загрузка УС7
Триггер знака множителя TY Загрузка УС8
Триггер знака результата TZ Загрузка УС9
АЛУ 8 Комбинационный сумматор
Комбинационные схемы Получение на входе АЛУ сигналов " 0 " или RGX в зависимости от значения yi

Структурная схема устройства представлена на рис. 3.2.

Арифметических Логических Единиц (АЛУ): Введение

Арифметические логические единицы (АЛУ): введение

Арифметическая единица, или АЛУ, позволяет компьютерам выполнять математические операции над двоичными числами. Они могут быть найдены в основе каждого цифрового компьютера и являются одной из наиболее важных частей центрального процессора (центрального процессора). Эта заметка исследует их основные функции, анатомию и историю.

Понимание машины

Если бы вы могли взять компьютер и вырвать его сердце - как бы он выглядел? Это может звучать странно, но можем ли мы что-то сделать? Или вопрос вообще имеет смысл?

Трудно даже представить себе, что такое компьютер в наши дни.У большинства из нас та или иная форма сидит в карманах, привязана к запястьям или сидит на столе. Все они выглядят совершенно по-разному и используются для различных целей - работают ли они одинаково?

Хорошо, вас может удивить, что все эти устройства используют одни и те же фундаментальные механизмы для работы. Все они происходят от одной и той же первичной цифровой ДНК, и все они имеют одно и то же постоянное сердцебиение - даже если некоторые бьют быстрее, чем другие.

Некоторых также может поразить, что компьютеры - это просто тупые машины, управляемые потоком двоичных инструкций, которые периодически манипулируют бездушными механизмами.В них действительно нет ничего волшебного или умного - независимо от того, что Сири может вам сказать.

По определению, компьютер или «вычислительная машина» - это аппаратное обеспечение, которое выполняет вычисления общего назначения на основе набора хранимых инструкций. Проще говоря, компьютер - это бинарный калькулятор на стероидах, который работает через повторяющийся процесс, называемый циклом «fetch-decode-execute».

Вечные механизмы

Fetch-decode-execute относится к вычислительному процессу, который непрерывно выбирает инструкции из хранилища памяти, декодирует их в операции и выполняет их для выполнения вычисления.И именно эти простые шаги приводят к сложному (и, казалось бы, волшебному) поведению, которое мы ожидаем от современных вычислительных машин!

An illustration of the fetch-decode-execute cycle Иллюстрация цикла fetch-decode-execute

Процесс выборки-декодирования-выполнения можно дополнительно объяснить, связав каждый шаг цикла (FETCH / DECODE / EXECUTE) с тремя аппаратными подсистемами: блоком памяти, блоком управления и арифметическим блоком.

FETCH (выполняется блоком памяти)
Блок памяти является частью вычислительной машины, которая содержит машинные инструкции или данные для выполнения вычислений общего назначения.Эта подсистема позволяет получить доступ к хранимым инструкциям или данным во время выполнения программы.

ДЕКОД (выполняется блоком управления)
Блок управления отвечает за автоматизацию и упорядочение цикла выборки-декодирования-выполнения - вы можете рассматривать его как системный «проводник». Он также декодирует инструкции и обеспечивает правильное выполнение системных операций.

EXECUTE (выполняется арифметическим блоком)
Арифметический блок - это аппаратная подсистема, которая выполняет арифметические операции на двоичных входах.Простейшие арифметические единицы выполняют двоичное сложение и вычитание. Более сложные AU могут выполнять операции умножения, деления и логические побитовые операции. Однако эти более сложные AU обычно называют ALU: «Арифметико-логический блок».

Анатомия арифметической единицы & ALU

Арифметическая единица, или АЛУ, позволяет компьютерам выполнять математические операции над двоичными числами. Они могут быть найдены в основе каждого цифрового компьютера и являются одной из наиболее важных частей центрального процессора (центрального процессора).

В простейшей форме арифметическая единица может быть представлена ​​в виде простого двоичного калькулятора - выполнение двоичного сложения или вычитания на двух входах (A & B) для вывода результата (чтобы узнать больше о том, как это работает, ознакомьтесь с нашей заметкой: Binary Дополнение с полными сумматорами).

A simple ALU Простая арифметическая единица

Наряду с выполнением основных математических операций, арифметический блок также может выводить серию «флагов», которые предоставляют дополнительную информацию о состоянии результата: если он равен нулю, если выполнено выполнение или произошло переполнение ,Это важно, поскольку позволяет вычислительной машине выполнять более сложные действия, такие как условное ветвление.

Современные вычислительные машины, однако, содержат «арифметические единицы», которые намного сложнее, чем описанные выше. Эти блоки могут выполнять дополнительные базовые математические операции (умножение и деление) и побитовые операции (AND, OR, XOR и др.). Как таковые, они обычно упоминаются как АЛУ (Арифметическая Логическая Единица).

ALU позволяют выполнять математические процедуры оптимизированным образом, и это может значительно сократить количество шагов, необходимых для выполнения конкретного вычисления.

Сегодня большинство процессоров (центральный процессор) содержат ALU, которые могут выполнять операции с 32- или 64-разрядными двоичными числами. Однако AU & ALU, которые обрабатывают гораздо меньшие числа, также имеют свое место в истории вычислений.

Краткая история единиц арифметической логики

Идея вычислений, составленная из дискретных подсистем, работающих вместе для создания сложных моделей поведения, не является идеей 20-го века. Фактически, машины с хранимой программой разрабатывались Чарльзом Бэббиджем более чем за 100 лет до знаменитой формализации «Универсальной машины Тьюринга» Алана Тьюринга в 1930-х годах.

Небольшая известная книга Б.В.Баудена «Быстрее, чем мысль» (1953) прекрасно описывает концептуализацию вычислений Бэббиджа, которая включает в себя понятие блока управления, блока памяти и арифметической единицы! Хорошим намеком на механический контекст арифметической единицы того времени, Бэббидж назвал эту подсистему «Мельницей».

A simple ALU Отрывок из книги «Быстрее, чем мысль», Б. В. Боуден, 1953.

Теоретические основы вычислений увидели свет благодаря созданию ранних цифровых компьютеров.Такие машины, как компьютер MOSAIC, который запускал свою первую программу (около 1953 года), состояли из более чем 6480 электронных клапанов и занимали пространство в четырех комнатах! Изображение ниже показывает изображение его «Арифметической стойки», которая была одной из самых ранних арифметических единиц. Он работал на ядре компьютера, пока машина не была выведена из эксплуатации в начале 1960-х годов. (Обратите внимание, здесь также находится стойка управления. «Хранилище» памяти было размещено в отдельной комнате).

The Arithmetic Rack of the MOSAIC computer Образ MOSAIC «Арифметическая стойка» из «Ранних британских компьютеров», S.Лавингтон, 1980.

В исследовании ранних цифровых компьютеров также стоит упомянуть EDSAC 2 (операционный 1958), который был первым компьютером с микропрограммированным блоком управления. Для опытных наблюдателей ALU стоит посетить «Центр истории вычислений» в Кембридже, где находится часть Арифметического логического устройства с этой машины:

Arithmetic Logic Unit from EDSAC 2 Арифметическая логическая единица из EDSAC 2: Размещается в Центре вычислительной истории, Кембридж.

С 1960-х годов размеры компьютеров значительно сократились благодаря изобретению интегральных микросхем, которые заменили технологию вакуумных ламп, использовавшуюся в ранних компьютерах.В 1970 году Texas Instruments представила семантическую 74181 TTL IC - 4-битную ALU, которая упростила конструкцию миникомпьютеров. Он выполнял арифметические операции (сложение и вычитание) и логические операции (AND, OR, XOR). Он должен был стать ключевым в истории проектирования ALU и вычислительной техники, используемой в известных компьютерах, таких как PDP-11.

A 74181 ALU IC Образ классика 74181 ALU IC. By 74s181 из английский Википедия - переведено aud.usa из en.wikipedia в палату общин., Общественное достояние, ссылка

Многие считают 74181 TTL IC классическим чипом, даже если он больше не производится. Однако его гибель сигнализирует о росте процессоров, где подсистемы компьютеров миниатюризированы и включены в кремниевые срезы современной микропроцессорной технологии.

Подробнее:

Сегодня вы больше не можете видеть или держать современный АЛУ в руке. И простые механизмы, которые управляют повседневными вычислениями, теперь потеряны и забыты маршем миниатюризации!

Именно поэтому, несмотря на наше 4-битное арифметическое устройство DIY, ARITH-MATIC стремится восстановить физические и видимые связи, которые мы когда-то имели с давно потерянными предшественниками современных цифровых вычислений.

Чтобы быть в курсе последних новостей ARITH-MATIC, выпусков комплектов и публикаций в блогах, подпишитесь на нас в Twitter и Facebook.

Вам также могут понравиться:

A 74181 ALU IC

Примечание № 9

A 74181 ALU IC

Примечание № 3

A 74181 ALU IC

Примечание № 5

Ознакомьтесь с нашими электронными электронными наборами:

,
Что такое Арифметическая Логическая Единица (АЛУ)?

Арифметико-логическое устройство (АЛУ): Подразделение в центральном процессоре компьютера. ALU alu полная форма - Арифметико-логический блок , берет данные из регистров памяти; АЛУ содержит логическую схему для выполнения математических операций, таких как вычитание, сложение, умножение, деление, логические операции и логические сдвиги значений, хранящихся в регистрах процессора или его накопителе.

Это размер слова, который может обрабатывать ALU , который больше, чем любая другая мера, определяет размер слова процессора: то есть 32000-разрядный процессор - это один с 32000-разрядным ALU .

После обработки инструкции результат будет сохранен в Аккумуляторе. Блок управления генерирует управляющие сигналы для АЛУ для выполнения определенных операций. Аккумулятор используется как регистр по умолчанию для хранения данных. Это 16-битный регистр.

Простейший вид ALU выполняет только сложение, логическую логику (включая операцию NOT или дополнение) и сдвигает слово на один бит вправо или влево, причем все другие арифметические операции синтезируются из последовательностей этих примитивных операций.Например, вычитание выполняется как умножение с добавлением дополнения на степень двойки путем сдвига, деление на повторное вычитание. Тем не менее, в современных процессорах наблюдается растущая тенденция к реализации дополнительных арифметических функций в аппаратных средствах, таких как выделенные умножители или делители.

АЛУ мог когда-то считаться самым ядром компьютера в том смысле, что он один фактически выполнял вычисления. Однако в современных архитектурах процессоров SUPERSCALAR это уже не так, поскольку обычно в каждом из нескольких отдельных целочисленных и с плавающей запятой блоков есть несколько разных ALU.ALU может потребоваться для выполнения не только тех вычислений, которые требуются пользовательской программе, но также и многих внутренних вычислений, требуемых самим процессором, например, для получения адресов для инструкций, которые используют разные РЕЖИМЫ АДРЕСОВ, скажем, путем добавления смещения к базовому адресу. Тем не менее, еще раз, в современных архитектурах существует тенденция распределять эту работу в отдельный модуль загрузки / хранения.

Три фундаментальных атрибута АЛУ - его операнды и результаты, функциональная организация и алгоритмы.

Операнды и результаты

Операнды и результаты ALU являются машинными словами двух видов: арифметических слов, , которые представляют числовые значения в цифровой форме, и логических слов, , которые представляют произвольные наборы кодированных цифровым образом символов. Арифметические слова состоят из цифр-векторов (цепочек цифр).

Оператор: Оператор - это арифметическая или логическая операция, которая выполняется над операндом, указанным в инструкциях.

Флаг: АЛУ использует много типов флага во время обработки инструкций. Все эти биты хранятся в регистрах состояния или флага.

Функциональная организация АЛУ

Типичный АЛУ состоит из трех типов функциональных частей: регистры хранения, логика операций и логика последовательности.

Архитектура арифметического логического устройства (АЛУ)

ALU формируется через комбинационную схему. Комбинационная схема использовала логические элементы типа AND, OR, NOT, XOR для своей конструкции.Комбинационная схема не имеет какого-либо элемента памяти для хранения предыдущего бита данных. Сумматоры являются основной частью арифметико-логического блока для выполнения сложения, вычитания на 2 дополнения.

Блок управления генерирует сигналы выбора для выбора функции, выполняемой АЛУ.

Регистры : Регистры являются очень важным компонентом в ALU для хранения команд, промежуточных данных, вывода и ввода.

Logic Gates

Логические ворота строят блок АЛУ.Логические вентили состоят из диодов, резисторов или транзисторов. Эти вентили используются в интегральной схеме и представляют двоичный вход в состоянии «ВКЛ» и «ВЫКЛ». Двоичный номер 0 представлен «ВЫКЛ», а двоичный номер «1» представлен состоянием «ВКЛ» в интегральной схеме.

ИЛИ вентиль : ИЛИ вентиль может принимать два или более входов. Выход логического элемента ИЛИ всегда равен 1, если любой из входов равен 1, и 0, если все входы ложны. ИЛИ вентиль выполняет операцию сложения для всех операндов, указанных в инструкциях.Это может быть выражено как X = A + B или X = A + B + C.

AND gate : AND gate принимает два или более входов. Выход логического элемента И равен 1, если все входы равны 1. Логический элемент И дает 0 результатов, если любой из входных данных в данных равен 0. И логический элемент выполняет опцию умножения для всех входных операндов. Он представлен символом «.». Мы можем написать это как -X = A.B или X = A.B.C.

NOT gate : Not gate используется для отмены результата гейтов или обратного логического состояния от 0 до 1 и от 1 до 0.Not gate также используется с воротами «И» и «ИЛИ». При использовании с воротами AND или ‘OR, NOT gate представляет собой маленький круг перед обоими воротами. После использования NOT gate, вентили AND конвертируются в NAND или вентили 'OR' преобразуются в NOR.

Регистры : Регистры обеспечивают быстрый доступ к памяти по сравнению с кешем, оперативной памятью, жестким диском. Они построены на процессоре. Регистр небольшой по размеру. Обработка промежуточных данных, хранящихся в регистрах. Количество регистров, используемых для определенных целей.АЛУ использовал четыре регистра общего назначения. Все эти четыре регистра 16-разрядного регистра делятся на регистры. 16-битный регистр подразумевает, что регистр может хранить максимум 16 бит данных.

Аккумулятор : Аккумулятор по умолчанию 16-разрядный и регистр общего назначения. По умолчанию означает, что любой операнд в инструкции не указывает конкретный регистр для хранения операнда. Этот операнд времени автоматически сохранится в AC. AC используется как два отдельных регистра 7-битных AL и AH.AC расположен внутри ALU. Промежуточные данные и результат после выполнения будут храниться в AC.AC, используя MBR для работы с памятью.

Программный счетчик: ПК означает программный счетчик. Это 16-битный регистр. Подсчитывает количество инструкций, оставленных для исполнения. Он действует как указатель для инструкций и также известен как регистр указателя инструкций. ПК содержит адрес следующей инструкции, которая будет выполнена. Когда инструкция извлекается из реестра. Регистр автоматически увеличивается на единицу и указывает на адрес следующей инструкции.

Регистр флага : он также известен как регистр состояния или регистр статуса программы. Регистр флага содержит логическое значение слова состояния, используемого процессом.

Вспомогательный флаг : если два числа должны быть добавлены так, что если в начале старшего бита есть перенос. Это известно как вспомогательный бит.

Бит переноса : Бит переноса указывает на самый значимый бит заимствования или переноса, вычитая большее число, чем меньшее число, или добавляя два числа.

Знаковый бит : Знаковый бит является наиболее значимым битом в дополнении 2, чтобы показать, что результат отрицательный или положительный. Это также известно как отрицательный бит. Если последний перенос здесь после суммы последнего старшего значащего бита равен 1, он сбрасывается, и результат является положительным.

Если здесь нет переноса, то дополнение 2 будет иметь отрицательный и отрицательный бит, равный 1.

Бит переполнения : Бит переполнения, используемый для указания на переполнение стека после обработки инструкции.Значение 1 означает, что стек переполнен, если он равен 0, тогда происходит обратное.

Бит четности : Бит четности представляет нечетный или четный набор «1» битов в данной строке. Он используется в качестве кода для обнаружения ошибок. Бит четности имеет два типа: бит четности и бит нечетности.

В бите Четность мы подсчитываем вхождение I в строку. Если число 1 бит нечетное в подсчете, мы добавим четный бит четности, чтобы сделать его четным, или если число 1 бит четное, то четный бит равен 0.

Число данных 1 бит, четный бит четности Данные, включая четный бит четности

1010111 5 1 11010111

Адресный регистр памяти: Адресный регистр содержит адрес памяти, в которой находятся данные. CPU выбирает адрес из регистра и получает доступ к местоположению для получения данных.Точно так же MAR используется для записи данных в память.

Регистр данных: Регистры данных, также известные как Регистр данных памяти. Содержит содержимое или инструкцию, извлеченные из памяти для чтения и записи. Это 16-битный регистр, который может хранить 2 16 байта данных. Из данных, инструкция регистра перемещается в регистр команд, а содержимое данных перемещается в AC для манипуляции.

Регистр команд: Инструкция содержит инструкцию, которая должна быть выполнена.Блок управления ЦП извлекает инструкцию, декодирует ее и выполняет инструкцию, обращаясь к соответствующему контенту. IR - 16-битный регистр. Он имеет два поля - код операции и операнд.

ПК содержит адрес выполняемой инструкции. Как только адрес получен, он увеличивается на 1.PC удерживает адрес следующих инструкций. В этой ситуации IR содержит адрес текущей инструкции.

Входной / выходной регистр : Входной регистр содержит входные данные от устройств ввода, а выходной регистр содержит выходные данные, которые должны выдавать выходным устройствам.

Арифметико-логический блок

Схематический символ арифметической логики Каскадный 8-битный ALU Texas Instruments SN74AS888

В вычислительной технике арифметико-логическое устройство ( ALU ) является цифровой схемой, которая выполняет арифметические и логические операции. ALU является фундаментальным строительным блоком центрального процессора компьютера, и даже самые простые микропроцессоры содержат его для таких целей, как поддержание таймеров. Процессоры, находящиеся внутри современных процессоров и графических процессоров (GPU), поддерживают очень мощные и очень сложные ALU; один компонент может содержать несколько ALU.

Математик Джон фон Нейман предложил концепцию ALU в 1945 году, когда он написал отчет об основах нового компьютера под названием EDVAC. Исследования в области ALU остаются важной частью компьютерной науки, подпадающей под Арифметические и логические структуры в Системе классификации вычислений ACM.

Числовые системы

Основная статья: Подписанные числовые представления

АЛУ должен обрабатывать числа в том же формате, что и остальная цифровая схема.Формат современных процессоров почти всегда является двоичным представлением двоичного числа. В ранних компьютерах использовались самые разные системы счисления, в том числе дополнение к ним, формат знака с двумя дополнительными знаками и даже настоящие десятичные системы, с различным представлением цифр [NB 2] . ALU для каждого из них, что облегчает ALU для вычисления сложений и вычитаний. [ цитирование необходимо ]

Системы счисления дополнения и дополнения к двум позволяют выполнять вычитание путем сложения отрицания числа очень простым способом, что сводит на нет необходимость в специализированных схемах для вычитания; однако для вычисления отрицания в дополнении к двум необходимо добавить единицу к младшему биту и распространить перенос.Альтернативный способ сделать вычитание дополнения до двух A-B состоит в том, чтобы представить единицу на вход переноса сумматора и использовать ¬B, а не B в качестве второго входа.

Практический обзор

Большинство операций процессора выполняются одним или несколькими ALU. АЛУ загружает данные из входных регистров, внешний управляющий модуль сообщает АЛУ, какую операцию выполнить с этими данными, а затем АЛУ сохраняет свой результат в выходном регистре. Блок управления отвечает за перемещение обработанных данных между этими регистрами, АЛУ и памятью.

Простые операции

Простой пример арифметико-логического блока (2-битный АЛУ), который выполняет операции И, ИЛИ, XOR и сложения

Большинство ALU могут выполнять следующие операции:

Комплексные операции

Инженеры

могут спроектировать арифметико-логическое устройство для расчета любой операции. Чем сложнее операция, чем дороже ALU, тем больше места он использует в процессоре, тем больше энергии он рассеивает. Поэтому инженеры идут на компромисс. Они делают ALU достаточно мощным, чтобы сделать процессор быстрым, но не настолько сложным, чтобы стать слишком сложным.Например, для вычисления квадратного корня числа можно использовать:

  1. Расчет за один такт Разработка чрезвычайно сложного ALU, который вычисляет квадратный корень любого числа за один шаг.
  2. Конвейер расчета Разработайте очень сложный АЛУ, который вычисляет квадратный корень любого числа в несколько этапов. Промежуточные результаты проходят через серию цепей, расположенных как заводская производственная линия. АЛУ может принимать новые числа для расчета даже до того, как закончил предыдущие.ALU теперь может генерировать числа так же быстро, как ALU с одиночной синхронизацией, хотя результаты начинают вытекать из ALU только после начальной задержки.
  3. Итеративный расчет Разработайте сложный АЛУ, который рассчитывает квадратный корень за несколько шагов. Обычно это зависит от управления со сложного блока управления со встроенным микрокодом.
  4. Сопроцессор Разработайте простой ALU в процессоре и продайте отдельный специализированный и дорогостоящий процессор, который клиент может установить рядом с ним, и реализует один из вариантов выше.
  5. Библиотеки программного обеспечения Скажите программистам, что нет сопроцессора и нет эмуляции, поэтому им придется написать свои собственные алгоритмы для вычисления квадратных корней с помощью программного обеспечения.
  6. Эмуляция программного обеспечения Эмулирует существование сопроцессора, то есть всякий раз, когда программа пытается выполнить вычисление квадратного корня, проверьте, присутствует ли сопроцессор, и используйте его, если он есть; если его нет, прервите обработку программы и вызовите операционную систему для выполнения вычисления квадратного корня через некоторый программный алгоритм.

Перечисленные выше варианты идут от самого быстрого и самого дорогого до самого медленного и наименее дорогого. Следовательно, хотя даже самый простой компьютер может вычислить самую сложную формулу, самым простым компьютерам обычно требуется много времени из-за нескольких шагов для вычисления формулы.

Мощные процессоры, такие как Intel Core и AMD64, реализуют вариант № 1 для нескольких простых операций, № 2 для наиболее распространенных сложных операций и № 3 для чрезвычайно сложных операций.

Входы и выходы

Входами в ALU являются данные, с которыми нужно работать (так называемые операнды), и код от блока управления, указывающий, какую операцию выполнить. Его вывод является результатом вычислений.

Во многих конструкциях АЛУ также принимает или генерирует в качестве входов или выходов набор кодов условий из или в регистр состояния. Эти коды используются для указания случаев, таких как перенос или вынос, переполнение, деление на ноль и т. Д.

ALU против FPU

Модуль с плавающей запятой также выполняет арифметические операции между двумя значениями, но они делают это для чисел в представлении с плавающей запятой, что намного сложнее, чем представление дополнения двух, используемое в типичном ALU. Включая двоично-десятичное десятичное число (BCD) в 4 битах, кодирование 2 из 5 в пяти битах [1] , 5-битное двоичное кодирование [NB 1] , кодирование [2] и 2- двоичное двоичное кодирование [NB 1] в 7 битах [3]

Рекомендации

Внешние ссылки

,
ALU (Арифметико-логическое устройство) Определение

Стенды для «Арифметико-логического устройства». АЛУ - это интегральная схема внутри ЦПУ или ГП, которая выполняет арифметические и логические операции. Арифметические инструкции включают в себя операции сложения, вычитания и сдвига, в то время как логические инструкции включают в себя логические сравнения, такие как операции AND, OR, XOR и NOT.

ALU предназначены для выполнения целочисленных вычислений. Следовательно, помимо сложения и вычитания чисел, ALU часто обрабатывают умножение двух целых чисел, поскольку результат также является целым числом.Однако ALU обычно не выполняют операции деления, поскольку результатом может быть дробь или число с плавающей запятой. Вместо этого операции деления обычно обрабатываются модулем с плавающей запятой (FPU), который также выполняет другие нецелочисленные вычисления.

Хотя ALU является фундаментальным компонентом всех процессоров, конструкция и функции ALU могут различаться в зависимости от модели процессора. Например, некоторые ALU выполняют только целочисленные вычисления, тогда как другие предназначены для обработки операций с плавающей запятой.Некоторые процессоры содержат один ALU, в то время как другие включают несколько единиц арифметической логики, которые работают вместе для выполнения вычислений. Независимо от того, как спроектирован ALU, его основной задачей является обработка целочисленных операций. Следовательно, целочисленная производительность компьютера напрямую связана со скоростью обработки ALU.

Обновлено: 24 марта 2011 г.

TechTerms - Технический словарь компьютерных терминов

Эта страница содержит техническое определение АЛУ. Это объясняет в вычислительной терминологии, что означает ALU, и является одним из многих аппаратных терминов в словаре TechTerms.

Все определения на веб-сайте TechTerms написаны, чтобы быть технически точными, но также и простыми для понимания. Если вы найдете это определение ALU полезным, вы можете сослаться на него, используя ссылки цитирования выше. Если вы считаете, что термин должен быть обновлен или добавлен в словарь TechTerms, пожалуйста, напишите TechTerms!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *