Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) (стр. 1 )

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ).

АЛУ - это комбинационная схема, предназначенная для выполнения арифметических и поразрядно логических операций над многоразрядными словами.

Требования к АЛУ:

1.  выполнение различных арифметически-логических операций;

2.  обеспечение межразрядного переноса при выполнении арифметических операций (быстродействие);

3.  обеспечение наращивания разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями АЛУ (аппаратным способом):

-  пропускная способность;

-  повышение точности.

Примеры: полёт на Марс – 64 разряда; спутник вокруг Земли – 24-28 разрядов.

Структура АЛУ

Основа АЛУ – это одноразрядный сумматор с управляющим сигналом S.

Основой АЛУ является одноразрядный комбинационный сумматор . Этот может изменять свою конфигурацию в зависимости от управляющего слова . Управляющее слово является функцией и необходимой операцией (сложение, вычитание и т. д.). Сигнал (модификатор) обеспечивает выполнение:

-  при - арифметическая операция;

-  при - логическая операция.

Пример: конкретные требования к АЛУ:

1.  плюс (арифметический)

2.  минус (арифметический)

3.  (логический)

4.  (логическое)

Результат одноразрядного комбинационного сумматора:

Для 1-го требования плюс , следовательно нужно избавиться от и . Для первого добавляем управляющий сигнал , а для 2-го можно .

(1)

Следовательно,

Для вычитания необходим обратный код

(2)

Проведём суперпозицию выражений (1) и (2)

(3)

Проверяем.

Выражение (3) можно представить в виде:

Di, Fi – подготовительные функции нулевого порядка. Эти функции используются для реализации группового или параллельного переноса. Они не зависят от переноса из разряда.

Фрагмент АЛУ:

Организация внутрисекционного переноса в АЛУ

Возможно использование двух видов переносов:

1)  Последовательно

2)  Параллельно

Второй используется в тех случаях где не требуется высокого быстродействия на обработку информации, но предъявляется требование минимума аппаратных затрат.

Для 2):

- подготовительные функции первого порядка. Они используются при построении многоразрядных вычислительных систем для реализации межсекционного переноса.

Наращивание разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями

Два вида переносов:

1.  Последовательный пернос

 

Максимальная задержка: от момента поступления сигнала до конца.

Задержка всей цепочки 80 мкс.

2.  Параллельный перенос.

 

Эти функции имеют аналитические соотношения аналогичные подготовительным функциям первого порядка.

Задержка СУП (схем ускоренного переноса) составляет 20нск. Следовательно данная структура имеет задержку 40 м, т. е. в 2 раза меньше, чем у последовательного переноса.

Примеры использования АЛУ

1.  Преобразователь прямого кода в обратный.

Пусть на наше устройство поступает число:

Выражение для АЛУ:

В зависимости от N5 должны на выход передавать либо в прямом, либо в обратном коде. Для этого нам нужно избавиться от первой скобки. Положим аi=0

N5	Результат	S3S2S1S0	M	P0
0			0	x
1			0	x

Структурная схема будет иметь вид:

 

2. Преобразователь прямого кода в дополнительный.

N5	Результат	S3S2S1S0	M	P0
0			0	x
1			1	1

3. Преобразовать из дополнительного кода в обратный (вычесть 1 или прибавить 1 ко всем разрядам). В данном случае bi=1.

N5	Результат	S3S2S1S0	M	P0
0			0	x
1			1	0

 

Использование АЛУ в качестве решающего устройства целесообразно в тех случаях, когда количество реконфигураций не превышает 8. В иных случаях лучше использовать микропроцессор (т. к. резко возрастают аппаратурные затраты).

Классификация ИМС

1.  Радиокомпоненты могут реализовать только одну логическую функцию.

2.  Схема малой степени интеграции – до 20 логических функций (И, ИЛИ, НЕ, триггера и т. д.).

3.  Схема средней степени интеграции (АЛУ, счётчики, пересчётные устройства) – от 20 до 50 логических функций.

4.  БИС – до 200 логических функций (калькуляторные МС, БИС ОЗУ, БИС ПЗУ, микропроцессоры).

5.  СБИС – это однокристальные микроЭВМ, электрические диски, современные микропроцессоры и т. д.

МП (микропроцессор) – это прибор или совокупность приборов, изготовленных по технологии высокой степени интеграции и способный под воздействием программного управления выполнять функцию центрального устройства ЦВМ, предназначенную для обработки информации и управления процессом этой обработки.

Обобщённая структура микропроцессора

РАЛУ (регистровое АЛУ) – предназначено для выполнения арифметических и логических операций, а также для хранения результатов операций.

Интерфейсная логика – обеспечивает электрическое сопряжение с внешними устройствами и формирование протокола обмена.

Память – для хранения программ и данных. Всегда состоит из ОЗУ и ПЗУ. В ПЗУ минимально находится программа загрузки.

УУ – обеспечивает выработку последовательности микрокоманд, задающих различные операции, выполняемые АЛУ, интерфейсной логикой и памятью для организации команд условного перехода в зависимости от состояния флагов.

Классификация МП

1.  По способу обработки информации:

а) однокристальные – это МП, у которых наращивание разрядности обрабатываемых слоёв обеспечивается только программным путём;

б) секционированные (разрядно-модульные) – это наращивание разрядности обрабатываемых слов. Осуществляется с помощью однотипных секций.

2.  По используемой технологии:

а) ТТЛ и ТТЛШ

б) КМОП

в) КМОП – минимальное потребление, но площадь, занимаемая кристаллом на 20% больше чем у б)

3.  По способу формирования системы команд:

а) с возможностью разработки новой системы команд пользователей (доступен уровень микропроцедурного управления). Достоинство этого способа заключается в том, что можно повысить быстродействие и динамические характеристики, а недостатки заключаются в трудностях отладки этой микропрограммы и создании своих средств отладки;

б) МП использует только стандартную (дефективную) систему команд, т. е. микропрограммный уровень не доступен.

Области применения МП:

а) Использование МП для построения центральных узлов в вычислительной системе;

б) использование для построения систем (контроллеров), которые используются в качестве управляющих элементов систем управления, работающих как правило в реальном масштабе времени (интенсивность поступления информации, её обработка и отображение).

К основным характеристикам МП можно отнести:

-  время выполнения команды;

-  разнообразие и ориентация системы команд на конкретном применении контроллера (для того, чтобы смотреть улучшатся или ухудшатся динамические характеристики);

-  наличие систем прерывания режима ПДП.

Преимущества использования МП:

1.  Гибкость использования (имеется программное обеспечение).

2.  Меньшая стоимость.

3.  Быстрота разработки.

Примеры использования МП:

-  ВТ;

-  Станки с ЧПУ;

-  Конвейерные системы.

Регистровая АЛУ – базовая структура МП

Структура автоматически получается из следующего соотношения:

, где - любая операция

А и B – операнды.

Необходимо выполнить следующие действия:

1. Поместить операнды А и B на входы АЛУ.

2. Выполнить операцию в АЛУ.

3. Записать результат операции в элемент памяти (регистр С).

Указанные далее элементарные предельные операции называются микрооперациями (МО). Для того, чтобы структура МП была бы работоспособна необходимо дополнительно решить 2 задачи: задачу синхронизации и задачу управления.

 

Задача синхронизации – фиксация в памяти достоверного результата.

В минимальном объёме задача управления заключается в следующем: формирование управляющего слова, задающего тип операции в АЛУ, формирование сигналов, определяющих режим работы регистров (хранение или запись). Задача синхронизации заключается в том чтобы выработать тактовые импульсы, обеспечивающие фиксацию результатов в регистры в тот момент времени, когда на их входах присутствует достоверная информация. Условимся, что формирование управляющего слова будем осуществлять по переднему фронту тактового импульса, а фиксацию – по заднему фронту ТИ.

 

Для того чтобы использовать данную структуру в качестве МП, необходимо выполнить следующие требования:

1.  Обеспечить приём, хранение и использование результатов промежуточных операций для организации последовательности вычислений.

2.  Обеспечить приём информации от внешних устройств.

3.  Обеспечить выдачу информации на внешние устройства.

Этим требованиям удовлетворяет следующие структуры

 

А) Для сопроцессора

Б) Для видеопроцессора

Сравнение проводится по:

а) аппаратные затраты

б) временные характеристики выполнения требуемой операции.

По а) оба варианта приблизительно одинаковы. Различие заключается в том, что в варианте а) более сложное устройство дешифрации адреса регистров общего назначения (РОН).

По б)

 

Следовательно в таком типе время на совершение операции и записи требуется один такт Т.

 

В случае выполнения операции с размещением результата в РОМ более предпочтительным является вариант А, т. к. из-за наличия регистра С в варианте В времени требуется в 2 раза больше.

Приём информации от внешних устройств в обоих вариантах аналогичен, т. о. временные диаграммы не строим.

Передача информации на внешние устройства. ВУ – это длинная линия с ёмкостной, индуктивной и … нагрузками и поэтому используется 2 такта для передачи в ВУ (А). В случае В можно хранить в регистре С информацию и одновременно принимать информацию в регистры А и В.

 

 

При обмене информацией с ВУ более приоритетным является вариант В, т. к. в варианте А необходимо сохранять информацию в регистрах А и В в течение двух тактов из-за того, что для получения достоверной информации на входах внешних устройств длительности одного такта как правило недостаточно из-за длинной линии связи между МП и ВУ. В варианте В благодаря регистру С информация в регистрах А и В хранится только 1 такт, а во втором такте мы можем принимать новую информацию.

а)

б)

С

К ВУ

РгС

С

С

S

РгС РгХ

РгА

РгВ

АЛУ

Микропозиция данных устройств позволяет получить третью структуру:

Эта структура лишена недостатков вышеуказанных структур, но она имеет свои недостатки: большие аппаратные затраты за счёт введения дополнительного регистра полностью идентичного регистру С. Для того чтобы использовать данную структуру должна быть сформирована инструкция, которая содержит:

-  тип операции;

-  источники операндов;

-  приёмники результата;

-  способ определения следующей инструкции (прямая и косвенная адресация).

Инструкция, включающая в себя все вышеуказанные микрооперации называется микрокомандой.

Регистровая АЛУ разрядно-модульного типа.

Секционированный МП.

Условимся, что все элементы этой структуры – четырёхразрядные

Рг2 – сдвиговый регистр

ISR – сдвиг вправо

ISL – сдвиг влево

OSL – выход информации при сдвиге влево

OSR – выход информации при сдвиге вправо

MS обеспечивает приём информации в Рг1 либо от внешнего устройства, либо от внутрисистемной шины.

1.  Информационные сигналы:

-  входные – от ВУ, Р0, ISL, ISR

-  выходные к ВУ, Р4, F11, D11, OSR, OSL

2.  Сигналы управления:

3.  Цель синхронизации (С) – зафиксировать достоверный результат в памяти.

Для дальнейшего использования этой структуры необходимо решить 2 задачи:

-  определить способ наращивания разрядности обрабатываемых слов;

-  определить набор операций, реализуемых РАЛУ.

 

РОН, АС, R1 увеличивают свою разрядность пропорционально количеству секций, спользуемого при построении ВУ.

R2, АЛУ – требуются для увеличения разрядности определённых связей связей по сдвину и переносу. Управляющие сигналы на все секции процессор поступают параллельно, а информационные – последовательно.

Формирование набора микроопераций, кодирование, простейшие микропрограммы

№

Операция

Обозначение

АДР

А

W/R

S3

S2

S1

S0

M

V0

V1

V2

V3

P0

1

Передача содержимого регистра 1 в РОН с адресом Ак

(Рг1)®РОН-Ак

Ак

*

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

*

2

Выполнение арифметических или логических операций над содержимым регистров Рг1 и Рг2 с размещением результата в РОН с адресом Ак и АС

(Рг1)[S;M;P0] (Рг2)®РОН-Ак, АС

Ак

*

1

S3

S2

S1

S0

M

0

0

0

1

*

3

Передача информации от ВУ в Рг1

(ВУ)®Рг1

*

1

*

*

*

*

*

*

1

0

0

0

*

4

Запись информации из РОН с адресом Ак в Рг1 и Рг2

(РОН-Ак)®Рг1, Рг2

Ак

0

0

*

*

*

*

*

1

1

1

0

*

5

Сложение содержимого РОН с адресами Аn и Am с размещением результата в РОН с адресом Ак

(РОН-Аn)®Рг1 (РОН-Аm)®Рг2 (Рг1)плюс (Рг2)®РОН-Ак

Аn Аm Ак

0 * *

0 0 1

* * 1

* * 0

* * 0

* * 1

* * 1

1 0 0

0 1 1

0 1 0

0 0 0

* * P0

Если пришла микрокоманда, то не обязательно, что АЛУ учавствует в её выполнении.