Основи побудови арифметико-логічних пристроїв

ВСТУП

 

Швидке розширення областей застосування електричних пристроїв – одна з особливостей сучасного наукового-технічного прогресу. Цей прогрес в певні мірі пов'язаний з впровадженням інтегральних мікросхем в комп’ютерну техніку. Застосування інтегральних мікросхем дозволило удосконалити і створити нові методи проектування, конструювання і виробництва електроніки.

Метою курсової роботи є аналіз та синтез арифметико – логічних пристроїв(суматорів,дерифраторів,мультиплексорів). Арифметико-логічний пристрій (АЛП) (англ. Arithmetic Logic Unit, ALU) — блок процесора, що служить для виконання арифметичних та логічних перетворень над даними, що іменуються операндами. Цей пристрій є фундаментальною частиною будь-якого обчислювача, навіть найпростіші мікроконтролери мають його в складі свого ядра. Центральний процесор та відеопроцесор можуть мати кілька АЛП, що відрізняються своїм функціональним призначенням або типом оброблюваних даних.

Концепція АЛП була запропонована математиком Джоном фон Нейманом 1945, коли він працював над новим комп'ютером — EDVAC (англ.Electronic Discrete Variable Computer). В його публікації була досить докладно розглянута структура обчислювальної системи, в якій знайшлося місце для арифметичного пристрою.

Фон Нейман зазначав, що наявність цього компонента є гарантією того, що комп'ютер здатний виконувати базові математичні операції, серед яких додавання, віднімання, множення та ділення.Дослідження АЛП залишається важливою частиною комп'ютерної науки, що підпадають під арифметичні і логічні структури в системі класифікаціїACM.

АНАЛІЗ АРИФМЕТИКО – ЛОГІЧНИХ ПРИСТРОЇВ

Арифметико-логічний пристрій (АЛП) – блок центрального процесора, який під управлінням пристрою управління призначення для виконання арифметичних операцій і логічних перетворень над даними, що представлені у вигляді машинних слів, названих в такому випадку операндами.

Арифметично-логічні пристрої в залежності від функцій, що вони виконують, можна розділити на дві частини:

1. Мікропрограмний пристрій, що задає послідовність мікрокоманд.

2. Операційний пристрій, в якому виконуються всі послідовності мікрокоманд.

В склад арифметико-логічного пристрою входять регістри, які служать для обробки інформації, що приходить з оперативної чи пасивної пам’яті і логічні схеми, які використовуються для обробки слів за мікрокомандами, які попадають в АЛП з зовнішніх джерел і викликають в ньому перетворення інформації.

Операції що виконуються в АЛП являються логічними операціями, які можна розділити на наступні групи:

­ операції двійкової арифметики для чисел з фіксованою комою;

­ операції двійкової чи шіснадцяткової арифметики для чисел з плаваючою комою;

­ операції десяткової арифметики;

­ операції індексної арифметики (при модифікації адрес команд);

­ операції спеціальної арифметики;

­ операції над логічними командами (логічні операції);

­ операції над алфавітно-цифровими полями.

Поняття архітектури і структури комп’ютерів

Комп'ютер – це електронний пристрій, що виконує операції введення інформації, зберігання та оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною. За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки комп'ютера:­ пристрій введення;­ центральний процессор;­ запам'ятовуючий пристрій;­ пристрій виведення.Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема в центральний процесор можуть входити арифметико-логічний пристрій АЛП), внутрішній запам'ятовуючий пристрій у вигляді регістрів процесора та внутрішньої кеш-пам'яті, керуючий пристрій (КП). Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел може бути декілька. Це стосується і пристрою виведення.Запам'ятовуючий пристрій – це блок ЕОМ, призначений для тимчасового (оперативна пам'ять) та тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм, вхідних і результуючих даних та деяких проміжних результатів. Інформація в оперативній пам'яті зберігається тимчасово лише при включенному живленні, але оперативна пам'ять має більшу швидкодію. В постійній пам'яті дані можуть зберігатися навіть при вимкненому комп'ютері, протее швидкість обміну даними між постійною пам'яттю та центральним процесором, у переважній більшості випадків, значно менша.Арифметико-логічний пристрій – це блок ЕОМ, в якому відбувається перетворення даних за командами програми: арифметичні дії над числами, перетворення кодів та ін. Керуючий пристрій координує роботу всіх блоків комп'ютера. У певній послідовності він вибирає з оперативної пам'яті команду за командою.       Кожна команда декодується, за потреби елементи даних з указаних в команді комірок оперативної пам'яті передаються в АЛП. АЛП настроюється на виконання дії, вказаної поточною командою (в цій дії можуть братии участь також пристрої введення-виведення); дається команда на виконання цієї дії. Цей процес буде продовжуватися доти, доки не виникне одна з наступних ситуацій: вичерпано вхідні дані, з одного з пристроїв надійшла команда на припинення роботи, вимкнено живлення комп'ютера.Описаний принцип побудови ЕОМ носить назву архітектури фон Неймана – американського вченого угорського походження Джона фон Неймана, який її запропонував.

Основи побудови арифметико-логічних пристроїв

Розвиток мікроелектронної бази запам'ятовуючих пристроїв дозволило створити пам'ять, параметри якої суттєво знизили вплив мікропрограмування на продуктивність процесора і ЕОМ в цілому. Розвиток методів паралельної обробки даних та паралельного програмування показало, що складні алгоритми можуть бути ефективно реалізовані за допомогою мікропрограмного керування, що зумовило застосування принципів мікропрограмного управління в ЕОМ високої продуктивності.

Мікропрограмний принцип управління забезпечує реалізацію однієї машинної команди шляхом виконання мікрокоманд, записаних в постійній пам'яті.Мікрокоманди містять інформацію про мікрооперації, що виконується протягом одного машинного такту, а також інформацію про формування адреси чергових мікрокоманд.Реалізація принципу мікропрограмного управління передбачає примусову вибірку мікрокоманд.

Принцип мікропрограмного управління передбачає можливість зберігання мікропрограм системи команд ЕОМ в запам’ятовуючому пристрої того чи іншого типу. Крім того це дозволяє оперативно змінювати систему команд конкретної ЕОМ при вирішенні певного класу задач.

Для вибору порядку проходження мікрооперацій аналізуються логічні умови, які набувають значення одиниці (так) чи нуля (ні) залежно від значень операндів і результатів обчислень. Мікроалгоритм операції, записаний в термінах мікрооперацій і логічних умов, називається мікропрограмою. Кожна машинна операція має свою мікропрограму.

Усі цифрові пристрої, у тому числі й АЛП, може бути представленим у вигляді композиції операційного та керуючого пристроїв. В операційному пристрої виконуються арифметико-логічні операції. Керуючий пристрій забезпечує виконання операцій за допомогою послідовності керуючих сигналів, яку він виробляє залежно від мікропрограми. В математичних моделях АЛП перший пристрій подається операційним автоматом, а другий – керуючим автоматом.

Операційний автомат – пристрій цифрової електронної обчислювальної машини, в якому відбуваються перетворення кодів чисел або слів.

Рис. 1 – Структура математичної моделі АЛП

 

Операційний автомат складається із набору регістрів з комбінаційною логікою у входах запом'ятовуючих елементів регістрів. Вхідні сигнали операційного автомату ототожнюються з вихідними сигналами керуючого автомата – сигналами мікрооперацій. Ці сигнали визначають перетворення множини станів операційних автоматів. Вихідними сигналами операційних автоматів є рядки значень логічних умов, які характеризують стани його регістрів.

В теорії зручно розглядати операційний автомат як нескінченний автомат Мура спеціального виду (багаторегістровий автомат).Операційний автомат (ОА) приймає по входу А операнди, по входу Y – керуючі сигнали {y}, передає на вхід Z результати операції і формує множину значень логічних умов {x}.

Керуючий автомат (КА) генерує послідовність керуючих сигналів, яка передбачена мікропрограмою і відповідає значенням логічних умов. Інакше кажучи, керуючий автомат задає порядок виконання дій в операційному автоматі, який виходить з алгоритму виконання операцій. Найменування операції, яку необхідно виконувати у пристрої, визначається кодом операції. По відношенню до керуючого автомату сигнали коду операції, за допомогою яких кодується найменування операції, і повідомлювальні сигнали х1,…, хi, які формуються в операційному автоматі, грають однакову роль: вони впливають на порядок генерування керуючих сигналів y. Тому сигнали коду операції і умовні сигнали відносяться до одного класу – до класу повідомлювальних сигналів, які поступають на вхід керуючого автомату.
 тобто кожна операція – це визначена послідовність мікрооперацій.; які називаються мікроопераціями, що містить більш прості операції, що будь-яка операція розглядається як складна,В основі опису керуючих автоматів лежить принцип мікропрограмного керування.

Керуючий автомат (КА) приймає по входу X логічні умови {x} і залежно від їх значень та коду операції по входу F формує послідовність керуючих сигналів {y}. Класифікація арифметико-логічних пристроїв

Арифметико-логічні пристрої класифікують за такими ознаками:

­ способом оброблення даних – паралельні, послідовні, паралельно-послідовні;

­ системою числення – двійкові, десяткові та ін.;

­ формою подання чисел – з плаваючою комою, з фіксованою комою, цілі двійкові та десяткові числа;

­ часом виконання операцій – синхронні та асинхронні;

­ способом виконання мікрооперацій – із закріпленими мікроопераціями, із спільними операціями;

­ типом керуючого автомата – зі схемною або програмовною логікою;

­ методом побудови – багатофункціональні та блокові.

За способом дії над операндами АЛП діляться на послідовні та паралельні. У послідовних АЛП операнди представляються у послідовному коді, а операції проводяться послідовно у часі над їх окремими розрядами. У паралельних АЛП операнди представляються паралельним кодом і операції відбуваються паралельно у часі над усіма розрядами операндів.

За способом представлення чисел розрізняють АЛП:

­ для чисел з фіксованою комою;

­ для чисел з плаваючою комою;

­ для десяткових чисел.

За характером використання елементів та вузлів АЛП діляться на блокові і багатофункціональні. У блоковому АЛП операції над числами з фіксованою і плаваючою комою, десятковими числами і алфавітно-цифровими полями виконуються в окремих блоках, при цьому підвищується швидкість роботи, так як блоки можуть паралельно виконувати відповідні операції, але значно зростають витрати устаткування. У багатофункціональних АЛП операції для всіх форм представлення чисел виконуються одними і тими ж схемами, які комутуються потрібним чином в залежності від необхідного режиму роботи.

За своїми функціями АЛП є операційним блоком, що виконує мікрооперації, що забезпечують прийом з інших пристроїв (наприклад, пам'яті) операндів, їх перетворення і видачу результатів перетворення в інші пристрої. Арифметико – логічний пристрій управляється керуючим блоком, що генерує керуючі сигнали, які ініціюють виконання в АЛП певних мікрооперацій. Генерується управляючим блоком послідовність сигналів визначається кодом операції команди і сповіщають сигналами.

Рис. 2 – Узагальнена структура АЛП

 

Регістри загального призначення використовують для приймання і зберігання операндів, проміжних та кінцевих результатів. Блок контролю забезпечує перевірку правильності виконання арифметико-логічних операцій одночасною реалізацією тієї ж команди дублюючою апаратурою і порівнянням результатів або виконанням дій над спеціальними кодами, одержаними від операндів під час додавання за модулем два, модулем три та ін. У разі виявлення помилок і збоїв у роботі ОА блок контролю посилає в КА код помилок {k і }.

На АЛП поступає код операції від центрального пристрою керування. Застосування в АЛП пристроїв керування зі схемною логікою прискорює виконання операцій. Застосування КА з програмовною логікою забезпечує гнучкість мікропрограмування, дозволяє змінювати склад мікропрограм у разі введення нових команд. У сучасних АЛП можуть поєднуватись обидва типи КА.