Лабораторная работа № 12 Тема: «Исследование арифметико-логического устройства (алу)»

Цель работы: исследовать работу АЛУ на интегральной микросхеме К155ИП3. Научиться выполнять операции над двумя переменными с помощью АЛУ.

Краткая теория

Арифметико-логическое устройство АЛУ (ALU, Arithmetic-Logic Unit) предназначено для выполнения логических и арифметических операций над двумя входными многоразрядными словами.

АЛУ относится к комбинационному типу, т.е. состояние выходных сигналов устройства определяется комбинацией входных сигналов.

Для фиксации операндов, результатов вычисления АЛУ работает в сочетании с элементами памяти: регистрами, оперативными запоминающими устройствами и другими элементами памяти.

АЛУ значительно дороже простых ИМС, но за счёт возможности программируемой смены выполняемых действий их применение часто оправдано.

Основой АЛУ служит сумматор, схема которого дополнена логикой, расширяющей функциональные возможности АЛУ и обеспечивающей его перестройку с одной операции на другую.

В лабораторной работе исследуется четырёхразрядное АЛУ, выполненное на ИМС К155ИП3 (рисунок 12.1).

Микросхема К155ИП3 предназначена для действий с двумя четырехразрядными словами A=A3A2A1A0 и В=В3В2В1В0.

Конкретный вид операции, выполняемой микросхемой, задается 5-разрядным кодом на входах MS3S2S1S0. Всего это АЛУ способно выполнить 32 операции (2⁵=32):

• 16 логических (И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ и др.) при М=1;

• 16 арифметико-логических (сложение, вычитание, удвоение, сравнение чисел и ряд иных) при М=0.

При выполнении логических операций внутренние переносы запрещаются.

Р исунок 12.1- Условное графическое обозначение микросхемы К155ИП3

На рисунке 12.3 представлена логическая структура микросхемы К155ИП3.

Рисунок 12.3 – Логическая структура АЛУ на микросхеме К155ИП3

Операции сложения и вычитания проводятся с ускоренным переносом из разряда в разряд. Кроме того, имеется вход приема сигнала переноса Сn.

На выходах F3,F2,F2 и F0 формируются результаты логических преобразований и арифметических действий. На выходе переноса Сn+4 образуется сигнал старшего (пятого) разряда при выполнении арифметических операций.

Дополнительные выходы — образование ускоренного переноса G и распространение ускоренного переноса Р — используются только при организации многоразрядных АЛУ в случае их сочетания с блоком ускоренного переноса К155ИП4 (или 564ИП4 для микросхем КМОП), о чем будет сказано ниже.

Все виды операций и результаты вычислений применительно к положительной логике сведены в таблицу 12.1.

Таблица 12.1 - Функциональная зависимость выходов микросхемы К155ИПЗ от состояния выходов

Выбор функции S3 S2 S1 S0	Вход –выход (положительная логика)
	Логические функции (на входе М=1)	Арифметические операции (на входе М=0)
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 1
1 1 1 0
1 1 1 1	A

В таблице истинности результаты арифметических операций выражены в дополнительном коде. Как отмечалось, числа в дополнительном и в обратном коде связаны простым соотношением N_доп = N_o6p+1 или N_o6p=N_доп - 1. Поэтому в тех строках таблицы 6.1, где указана операция «минус 1», результат арифметических действий представлен в обратном коде.

Старший разряд кода выбора операций (вход М) определяет характер действий, выполняемых АЛУ. Когда на этом входе сигнал высокого уровня, АЛУ производит логические операции поразрядно над каждой парой бит слов А и В. Внутренний перенос в этом режиме бездействует.

Если АЛУ выполняет логико-арифметическую операцию, логическая функция реализуется поразрядно, а арифметическая с переносом.

Например, входному коду M S3 S2 S1 S0=01101₂ отвечает операция (А˅В) плюс А (третья снизу строка таблицы 6.1). Первой выполняется операция в скобках - (А˅В) - логическое сложение двух слов. Если А=1010₂ В=0111₂, то первая операция дает (А˅В)=1111₂ .Второй выполняется операция арифметического сложения числа А с результатом логического сложения. Следовательно 1111₂ плюс 1010₂=11111₂.

При использовании АЛУ в качестве компаратора сигнал снимают с входа А=В (вывод 14). Этот выход — с открытым коллектором, и к источнику питания его следует подключать через внешний резистор 1 кОм.

Режим компаратора обеспечивается при М=1 и S3 S2 S1 S0=0110₂. Когда числа А и В равны, на входе А=В формируется сигнал высокого уровня.

Одновременно на выходе Сn+4 (вывод 16) характеризует соотношение между числами А и В и в случае их неравенства согласно таблицы 12.2.

Таблица 12.2- Таблица истинности микросхемы К155ИП3 в режиме четырёх разрядного компаратора (S3=0, S2=1, S1=1, S0=0)

Вид логики	Состояние входов		Состояние выхода Сn+4
	Сn	А и В
Положительная логика	1	А≤В		1
	0	А<В		1
	1	А>В		0
	0	А≥В		0

Для арифметических действий над словами большей длины АЛУ включают последовательно. В этом случае время суммирования определяется задержкой распространения сигнала переноса со входа младшего разряда до выхода с последнего АЛУ и составляет t_зд.р=4τ_зд.р, где τ — задержка распространения сигнала переноса в одной АЛУ.

У меньшить время суммирования можно применением микросхем К155ИП4 (564ИП4), специально разработанных для организации ускоренного переноса между отдельными АЛУ, а также между группами АЛУ. Со схемой ускоренного переноса время суммирования сокращается примерно до τ_зд.р. Изображение микросхемы приведено на рисунке 12.4.

Рисунок 12.4 -Условное графическое обозначение

микросхемы ускоренного переноса К155ИП4

Если при выполнении арифметических операций к быстродействию не предъявляется высоких требований, то при каскадировании АЛУ схемы ускоренного переноса не используют.

При помощи микросхемы К155ИП4 (564ИП4) можно сформировать ускоренный сквозной перенос при выполнении операции сложения группой из четырех АЛУ (16-разрядные числа), что дает определенный выигрыш во времени сравнительно с последовательным переносом. Последовательное соединение нескольких таких микросхем, каждая из которых спарена с АЛУ, позволяет выполнять ускоренный перенос и с большим числом разрядов.

Сигналы образования группового переноса G0 – G3и сигналы распространения группового переноса Р0-Р3 с выходов АЛУ подключают с учетом разрядности к соответствующим входам микросхемы ускоренного переноса (рисунок 12.5).

Р исунок 12.5 – Подключение АЛУ к микросхеме ускоренного переноса

В случае наращивания микросхем ускоренного переноса (для чисел, число разрядов которых превышает 16) используются выходы Р и G. С помощью четырёх таких микросхем в сочетании с 16 микросхемами АЛУ можно построить 64-разрядное АЛУ.

Оборудование:

1. Лабораторный стенд ОАВТ

2. Сменная плата №6

3. Технологическая карта VI-1

Порядок выполнения работы:

1. Для исследования работы АЛУ изучить и зарисовать в отчете схему, приведенную на карте VI-1.

2.Ознакомиться с принципом действия ИМС АЛУ, выполненной на интегральной микросхеме К155ИП3 по таблице 12.1.

При работе со стендом удобнее пользоваться шестнадцатеричным кодом операции. Список этих операций и соответствующие им коды приведены в таблице 12.3.

Таблица 12.3. Таблица входных кодов и выполняемых операций

3. Установить карту VI-1 и плату №6.

4. Выполнить с помощью АЛУ операции над парами четырехразрядных двоичных чисел в соответствии с вариантом, представленным в таблице 12.4.

Таблица 12.4 - Варианты заданий исследования работы АЛУ

Вариант	Задание
	1 задание	2 задание	3 задание	4 задание
1	6+8	12-3	7Λ10	(5 ) 10
2	11+8	8-5	9 13	(15-6) 9
3	5+8	6-10	9 7	(5+6) 9
4	15-4	6+7	9 7	(7 3) 5
5	7+8	15-11		(13-6) 5
6	14+1	9-7	7	(15-6) 5
7	15-8	6+3	9 7	(5+6) 9
8	12-6	7+3	9 7	(56) 9

Арифметические операции выполнять в следующей последовательности.

4.1. Ввести код операции (см. таблицу 12.3), нажимая на кнопку SB1 необходимое число раз. Контроль за введенным числом осуществлять по дисплею HG1.

4.2. Набрать переключателями SA3, SA2, SA1 адрес 010₂, соответствующей регистру кода операций (D7).

3. Нажав на кнопку SB3, переписать введенный код операции в регистр D7. Контроль при записи в этот регистр осуществляется по свечению светодиода HL3.

4. Установить тумблер М в состояние 0 (положение вниз).

5. При выполнении операции сложении переключатель SA5 установить в состояние 1, а при вычитании в состояние 0.

6. Ввести операнд К (от 0 до F) с помощью кнопки SB1. Контроль по HG1.

7. Набрать тумблерами SA3, SA2, SA1 адрес регистра операнда К - 000₂ и, нажав кнопку SB3, переписать введенное значение операнда К в регистр D5. Контроль производится по свечению HL1.

8. Ввести операнд В (от 0 до F) с помощью кнопки SB1. Проконтролировать правильность ввода по HG1.

9. Набрать переключателями SA3, SA2, SA1 адрес 001 регистра операнда В и с помощью кнопки SB3 переписать введенное значение операнда В в регистр D6. Контроль по HL2.

10. Результат выполнения заданной операции (задается кодом по входам М, S, Р_о) переписать в регистр - аккумулятор D10, совмещенный со счетчиком блока ввода данных, набрав тумблерами SA3, SA2, SA1 адрес 101₂ и нажав кнопку SB3. (Для перевода D10 в режим регистра - аккумулятора на вход микросхемы подают логический 0.) Контроль за операцией перезаписи производится по свечению HL5. Результат операции считывается в виде шестнадцатеричного кода по дисплею HG1 и сигнала переноса в старший (пятый) разряд (только при выполнении арифметических операций) с HL6.

11. Если полученный результат является промежуточным и его необходимо использовать в дальнейшем в качестве одного из операндов, то с выхода регистра - аккумулятора его переписывают или в регистр D5 или в регистр D6, повторяя соответственно операцию, представленную в пунктах 4.6 или 4.8.

5. Результаты исследования включить в таблицу 12.5.

6. С помощью АЛУ произвести исследование логических операций аналогичным образом. Результаты исследования свести в таблицу истинности.

7. В отчете представить принцип работы схемы при выполнении одной из операций.

8. Ответить на контрольные вопросы.

9. Сделать вывод о выполненной работе.

Таблица 12.5 – Результаты исследования АЛУ

№

Код операции

Операция

Результат вычислений

Р0

М

S4

S3

S2

S1

(Код «16» с HG1)

1

2

3

4

Контрольные вопросы

1. Назначение АЛУ. Основные режимы работы АЛУ.

2. Как запрограммировать АЛУ на выполнение арифметических, логических операций?

3. Каким образом в данной работе используются общая шина и для решения каких задач она предназначена?

4. Каково назначение элементов D1, D3, D7, D9, D10 в исследуемой схеме?

5. Как произвести сброс информации с индикатора HG1?

6. Какие функции выполняет кнопка SB3, светодиоды HL1-HL6?

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Функциональная схема исследования АЛУ.

3. Таблица с результатами исследования АЛУ.

4. Результаты арифметических и логических вычислений.

5. Описания работы схемы при выполнении одной из операций.

6. Вывод о выполненной работе.