Назначение, классификация и организация АЛУ

Назначение, классификация и организация АЛУ.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является одной из основных функциональных частей процессора, осуществляющей непосредственное преобразование информации.

Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:

- операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной запятой;

 - операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей запятой;                                      

 -  операции десятичной арифметики (над числами, представленными в двоично-десятичном коде);

- операции адресной арифметики (при модификации адресов команд);

- операции специальной арифметики;

- логические операции;

Рекомендуемые материалы

- операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные универсальные ЭВМ обычно реализуют операции всех приведенных выше групп, а специализированные ЭВМ часто не имеют аппа­ратуры для обработки чисел с плавающей запятой, десятичных чисел и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции вы­полняются специальными подпрограммами.

Основными являются арифметические и логические операции. К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычита­ние модулей ("короткие операции"), умножение и деление ("длинные опера­ции"). Группу логических операций составляют операции дизъюнкции (логи­ческое ИЛИ) и конъюнкции (логическое И) над многоразрядными двоичны­ми словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг (сдвигают­ся только цифровые разряды, знаковый разряд остается на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обшир­на группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации.

Для выполнения перечисленных операций в АЛУ включаются следую­щие функциональные узлы:

- сумматор для выполнения суммирования и других действий над ко­дами операндов;

- регистры для хранения кодов операндов на время выполнения дейст­вий над ними;

- сдвигатели для сдвига кода на один или несколько разрядов вправо или влево;

- преобразователи для преобразования прямого кода числа в обратный или дополнительный код;

- комбинационные схемы для реализации логических операций, муль­типлексирования данных, управляемой передачи информации, формирования признаков результата и т.д.

Регистры и в некоторых случаях сумматоры имеют цепи управления приемом, выдачей и сбросом кодов операндов. Логические операции, опера­ции сдвига и преобразования кодов могут выполняться не только специаль­ными устройствами, но и с помощью дополнительных связей регистров и сумматора. В зависимости от типов используемых для суммирования базо­вых элементов различают комбинационные и накапливающие сумматоры.

Классификация АЛУ

По способу представления чисел различают АЛУ:

- для чисел с фиксированной запятой;

- для чисел с плавающей запятой;

- для десятичных чисел.

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В параллельных АЛУ операнды представляются параллель­ным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми раз­рядами операндов. В последовательных АЛУ операнды представляются в по­следовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. Такие АЛУ, как правило, используют конвейерный метод обработки, при котором совмещаются во времени фазы выпол­нения операции для различных разрядов операндов.

По выполняемым функциям АЛУ делятся на многофункциональные и функциональные (блочные). В блочном АЛУ операции над числами с фикси­рованной и плавающей запятой, десятичными и алфавитно-цифровыми по­лями, операции типа "умножение" выполняются в отдельных блоках. Такой подход позволяет увеличить скорость работы АЛУ за счет использования быстродействующих блоков, а также за счет организации параллельной рабо­ты этих блоков. Однако в этом случае значительно возрастают затраты обо­рудования.

"4. Фазы жизненного цикла" - тут тоже много полезного для Вас.

В многофункциональных АЛУ всевозможные операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые ком­мутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

По структурной организации АЛУ можно разделить на устройства, имеющие:

- регистровую структуру с непосредственными связями и закрепленной логикой;

- магистральную структуру с сосредоточенной памятью и логикой. Арифметико-логические устройства первого типа базируются на прин­ципе закрепления логических схем, используемых для выполнения микро­операций, за каждым из регистров. Так, на рис. 3.15 регистры Р1 и Р2 выпол­няют функции приема, хранения и выдачи операндов, поступающих из реги­стров общего назначения (РОН) процессора или КЭШ-памяти данных. С ре­гистром Р1 непосредственно связан преобразователь кода ПК1. Комбинаци­онный сумматор КСМ объединен с регистром РЗ по схеме накапливающего сумматора, с которым непосредственно связаны ПК2 и комбинационная схе­ма КС для мультиплексирования входных данных. На регистре РЗ выполня­ются микрооперации сдвига вправо или влево и сброс. Регистр Р4 выполняет микрооперации сдвига и непосредственно связан с преобразователем кода ПКЗ.

Таким образом, в данной структуре функции хранения и преобразования информации выполняются одним и тем же операционным блоком.

Магистральная структура АЛУ отличается тем, что в ней регистры и схемы для преобразования информации выделены в отдельные блоки, свя­занные между собой по входам и выходам. В этом случае блок регистров (БР) выполняет функции приема, хранения, выдачи операндов и результатов, а операционный блок (ОБ) выполняет весь необходимый набор микроопераций над словами, хранимыми в БР. В данной структуре блок регистров может быть реализован двумя способами: либо как совокупность отдельных регист­ров с индивидуальными схемами управления, либо как сверхоперативное ад­ресное запоминающее устройство.