Микропроцессорные алу простейшего типа.

Первые микропроцессорные АЛУ простейшего типа были универсальными и могли выполнять стандартный набор микроопераций. Программируя последовательность микроопераций можно было реализовать множество операций, например схема АЛУ, включающая 3 ступени.

1-я ступень предназначена для выполнения логических и арифметических операции на уровне формирования полусуммы,

2-я ступень предназначена для формирования переноса,

3-я ступень - для формирования полных сумм.

Операция в АЛУ осуществляется поразрядно, при этом результат выполнения операции в предыдущем разряде определяет результат в последующих.

Возможен последовательный учет переноса, при котором перенос в следующем разряде определяется только после того как результат в предыдущем разряде определен.

Время формирования результата можно существенно сократить, если анализировать операнды и входной перенос.

Блочный и конвейерный принципы построения алу

Блочный принцип построения АЛУ

В современных процессорах АЛУ стало намного сложнее, чем первые микропроцессорные АЛУ.

Блоков АЛУ стало несколько. Они предназначены для выполнения разных операций и могут работать параллельно.

Параллельное выполнение нескольких операций на разных АЛУ - один из основных принципов работы современных процессоров.

Рассмотрим, какую выгоду при вычислении может принести блочное АЛУ.

Принцип построения конвейерных АЛУ

Для конвейерной обработки данных характерным является:

• работа с потоками данных (векторами);

• разбиение операций на подоперации так, чтобы выполнение каждой операции было составлено из последовательности более мелких операций;

• связь между подоперациями осуществляется только при помощи входных и выходных данных;

• каждая подоперация реализуется аппаратно, т.е. осуществляется принцип минимизации времени для каждой операции;

• временные интервалы для выполнения каждой подоперации должны быть примерно равны.

За врем выполнения одной подоперации выбирается время, необходимое для выполнения наиболее длительной подоперации.

Конвейерные АЛУ можно назвать алгоритмическими, т.к. это АЛУ, настроенные на выполнение определенных алгоритмов, реализующих арифметические или логические операции.

Конвейерные АЛУ содержат несколько ступеней (рис.4.9.) Каждая ступень конвейера выполняет определенную микрооперацию. Выходные данные каждой ступени фиксируются и используются как входные данные для следующей ступени конвейера. Дискретные данные перемещаются от одной ступени к другой по сигналу от устройства управления.

Рис.4.9. Структура конвейерного АЛУ.

Конвейерные АЛУ могут быть и универсальными, т.е. они могут настраиваться на выполнение определенной операций из некоторого набора.

Фактическое время выполнения одной операции конвейерным АЛУ определяется временем настройки S универсального конвейера на определенную операцию и суммарным временем выполнения всех подопераций на n ступенях конвейера :

t _вып.оп=S+n,t×

где t- время выполнения одной подоперации,

S- время настройки конвейера на операцию I-го типа.

Конвейер не дает выигрыша во времени при выполнении одной операции, однако, если поток данных поступает непрерывно, то каждый такт конвейер выдает результат операции и среднее время, затраченное на выполнение операции, стремится к t.

Поэтому быстродействие конвейерного АЛУ при полной его загрузке тем выше, чем больше ступеней имеет конвейер и чем меньше интервал времени, отведенный на выполнение одной подоперации.

Производительность такого АЛУ в n раз выше, чем у обычного последовательного АЛУ построенного по принципам Фон-Неймана.

Устройство управления конвейером самое простое, достаточно логической схемы, осуществляющей настройку конвейера на выполнение операции определенного типа и генератора тактовой последовательности импульсов с периодом следования, равном t.

Каждый такт в каждой ступени конвейера осуществляется микрооперация над данными, подготовленными в предыдущем такте на предыдущей ступени конвейера.

Для независимой работы каждой ступени конвейера выходные данные помещаются в специальные элементы памяти- фиксаторы.