4.3.1 Арифметико-логические устройства

Арифметико-логическим устройством (АЛУ) называется функ­ционально законченный узел ЭВМ, предназначенный для реализа­ции логических и арифметических операций по обработке инфор­мации. Эти операции могут выполняться либо аппаратным способом – с использованием соответствующих электронных устройств, построенных на логических элементах, либо программным спосо­бом – с применением последовательного исполнения нескольких операций, выполняемых аппаратным способом. В соответствии со сказанным, АЛУ является одним из основных узлов МП и ЭВМ.

Для выполнения арифметических и логических операций над входными переменными они должны быть введены в АЛУ, по­этому его дополняют вспомогательными устройствами, предназна­ченными для промежуточного хранения как исходных данных, так и результатов выполнения той или иной операции. Функции этих устройств возлагают на дополнительные регистры.

Как правило, АЛУ снабжается двумя группами входных и од­ной группой выходных выводов данных, а также группой выходов, предназначенных для получения вспомогательной информации. Обе группы входных выводов (входных портов) снабжаются бу­ферными регистрами, предназначенными для временного хранения данных. Каждый буферный регистр способен хранить одно слово информации. Разрядность этого слова определяется конкретным типом устройства. Один входной порт АЛУ позволяет принимать данные непосредственно с шины данных, а второй – либо с шины данных, либо из специализированного регистра (чаще всего из аккумулятора). Вход этого регистра соединен с выходным портом.

В ряде случаев аккумулятор снабжается вторым входом, под­ключаемым к шине данных. Поэтому в общем случае в аккумуляторе могут храниться как данные, полученные в результате выполнения предыдущей операции, так и данные, переданные по шине данных. Группа выводов, предназначенных для получения вспомогательной информации о ра­боте АЛУ, подключается к спе­циальному регистру, называемо­му регистром состояния, кода условий, или индикатором. В его разрядах хранится служебная ин­формация о результате исполне­ния последней операции, напри­мер, указание о том, что аккуму­лятор сброшен, в ходе последней операции получен отрицательный результат и т.п.

В зависимости от типа операции АЛУ может оперировать од­ним или двумя словами данных и, следовательно, пользоваться одним или двумя входными портами. Например, при выполнении операции арифметического сложения используются два порта, а операции получения обратного кода (инвертирование кода) нужен только один порт. Результат операции всегда оказывается в аккумуляторе.

Конкретный перечень операций, реализуемых АЛУ, может быть достаточно обширным и различен для устройств разных классов. Однако среди этого разнообразия можно выделить ряд операций, выполняемых АЛУ всех типов. К таким операциям относятся:

- арифметическое сложение;

• арифметическое вычитание;

• логическое умножение;

• логическое сложение;

• сумма по модулю два (исклю­чающее ИЛИ);

• инверсия;

• сдвиг вправо;

• сдвиг влево;

• приращение положительное (инкремент);

• приращение отрицательное (декремент).

Перечисленные операции выполняются с использованием толь­ко аппаратных средств (схем на ЛЭ), заложенных в АЛУ, и поэтому являются элементарными. Более сложные операции, например, такие как арифметические умножение и деление выполняются, как правило, программно путем комбинаций описанных элементарных операций (микропрограммным способом).

Следует отметить, что по своему построению АЛУ относится к разряду комбинационных устройств, так как не содержит собственных элементов памяти. Поэтому значения его выходных сиг­налов определяются исключительно комбинацией входных сигна­лов, а время выполнения конкретной элементарной операции зависит от времени задержки распространения сигнала, то есть опре­деляется частотными свойствами используемой элементной базы и видом реализуемых ФАЛ.

Анализ работы ЭВМ показал, что до 50 % выполняемых ею операций являются операциями арифметического умножения, а до 45 % – операциями арифметического сложения. Отсюда становится понятным, почему время выполнения операций арифметического сложения и умножения относят к основным параметрам ЭВМ. Первое определяет совершенство применяемой элементной базы, второе – совершенство используемых алгоритмов.