Арифметико-логические устройства

Большинство компьютеров содержат одну схему для выполнения над двумя ма­шинными словами операций И, ИЛИ и сложения.

О бычно эта схема для n-разрядных слов состоит из n идентичных схем — по одной для каждой битовой позиции. На рисунке представлена такая схема, которая называется арифметико-лотческим устройством (АЛУ).

Это устройство может вычислять одну из 4-х следующих функций:

1. A И B;

2. А ИЛИ В;

3. ;

4. А + В (арифметическая сумма)

Выбор реализуемой функции зависит от двоичного кода формируемого сигналами на линиях F₀ и F₁: 00, 01, 10 или 11.

В левом нижнем углу схемы находится двухразрядный декодер, который ге­нерирует сигналы разрешения (1) на одну из четырех выходных линий, которая разрешает прохождение выходного сигнал выбранной функции через последний вентиль ИЛИ.

В верху схемы находится логическое устройство для вычисле­ния функций А И В, А ИЛИ В и , но только один из этих результатов проходит через последний вентиль ИЛИ в зависимости от того, какую из линий разреше­ния выбрал декодер. Так как ровно один из выходных сигналов декодера может быть равен 1, то и запускаться будет ровно один из трех вентилей И, или два вентиля И на выходе полного сумматора, независимо от значений А и В.

АЛУ может выполнять не только логические и арифметические операции над переменными А и В, но и делать их равными нулю, отрицая ENA (сигнал разре­шения А) или ENB (сигнал разрешения В). Можно также выполнять операции с , установив сигнал INVA (инверсия А).

При нормальных условиях и ENA, и ENB равны 1, чтобы разрешить поступление обоих входных сигналов, а сигнал INVA равен 0. В этом случае А и В просто поступают в логическое устройство без изменений,

В нижнем правом углу находится полный сумматор для подсчета суммы А и В, а также для выполнения переносов. Переносы необходимы, поскольку несколь­ко таких схем могут быть соединены для выполнения операций над целыми сло­вами.

Одноразрядные схемы, подобные показанной на рисунке называются раз­рядными микропроцессорными секциями. Они позволяют разработчику строить АЛУ любой разрядности.

Схема 8-разрядного АЛУ, составленного из восьми одноразрядных секций имеет вид:

Сигнал INС (инкримент - увеличение на единицу) нужен только для операций сложения. Он дает возможность вычислять такие суммы, как A+1 и A + B +1.

Тактовые генераторы

Порядок выполнение операций во многих цифровых схемах определяет работу всей схемы. Ино­гда одна операция должна предшествовать другой, иногда две операции должны происходить одновременно.

Для контроля временных параметров в цифровые схемы встраиваются тактовые генераторы, позволяющие обеспечить синхрони­зацию.

Тактовый генератор — это схема, которая вырабатывает серию импульсов. Все импульсы одинаковы по длительности. Интервалы между последовательны­ми импульсами также одинаковы.

Временной интервал между началом одного импульса и началом следующего называется временем такта. Частота импуль­сов обычно составляет от 1 до 500 МГц, что соответствует времени такта от 1000 до 2 нс. Частота тактового генератора обычно контролируется кварцевым гене­ратором, позволяющим добиться высокой точности.

В компьютере за время одного такта может произойти множество событий. Если они должны осуществляться в определенном порядке, то такт следует раз­делить на подтакты.

Чтобы достичь лучшего разрешения, чем у основного такто­вого генератора, нужно сделать ответвление от задающей линии тактового гене­ратора и вставить схему, создающую определенную временную задержку.

Т ак порождается вторичный сигнал тактового генератора, сдвинутый по фазе относительно пер­вичного сигнала.

Временная диаграмма, показанная на рисунке, предла­гает четыре точки начала отсчета времени для дискретных событий:

1. Фронт C₁ ;

2. Спад C₁;

3. Фронт С₂.

4. Спад С₂,

Связав различные события с разными перепадами (фронтами и спадами), можно достичь требуемой последовательности выполнения действий. Если в пределах одного такта нужно более четырех точек начала отсчета, можно сде­лать еще несколько ответвлений от задающей линии с различным временем за­держки.

В некоторых схемах важны временные интервалы, а не дискретные моменты времени. Например, некоторое событие может происходить не на фронте им­пульса, а в любое время, когда уровень импульса С₁ высокий. Другое событие может происходить только в том случае, когда уровень импульса С₂ высокий.

Ес­ли необходимо более двух интервалов, нужно предоставить больше линий пере­дачи синхронизирующих импульсов или сделать так, чтобы состояния с высо­ким уровнем импульса у двух тактовых генераторов частично пересекались во времени. В последнем случае можно выделить 4 отдельных интервала: и , и , и , и ,

Тактовые генераторы могут быть синхронными. В этом случае время сущест­вования импульса с высоким уровнем равно времени существования импульса с низким уровнем (см. рис. 3.20_т б).

Чтобы получить асинхронную серию импуль­сов (см. сигнал С на рис. 3.20, в), нужно сдвинуть сигнал задающего генератора, использовав цепь задержки. Затем нужно соединить полученный сигнал с изна­чальным сигналом с помощью логической функции И.