Схемотехника / Опорні конспекти / Модуль 2 / 2.4-к АЛП
.pdf
Тема 2.4: Арифметико-логічний пристрій.
Мета: Розглянути будову та ознайомитись з принципами роботи АЛП.
Перелік питань для вивчення.
1.Призначення та будова арифметико-логічного пристрою.
2.Структурна схема арифметико-логічного пристрою.
3.Схема роботи арифметико-логічного пристрою.
4.Основні характеристики арифметико-логічних пристроїв.
5.Принципи будови та роботи керуючих автоматів.
1. Призначення та будова арифметико-логічного пристрою.
Арифметичні та логічні операції з числами (словами) виконуються в головній частині про-
цесора - арифметико-логічному пристрої (АЛП).
Всі арифметичні дії з двома числами (додавання, віднімання, множення, ділення) зводяться в АЛП до операцій додавання або віднімання. Тому до складу АЛП обов'язково входить суматор.
Два числа знаходяться в різних регістрах. Їх взаємодією з суматором керує пристрій керування обчисленнями. Результат виконаної операції може бути спрямований за вказаною в команді адресою, але найчастіше залишається в спеціальному регістрі - акумуляторі. Процесор містить
декілька регістрів, але найближчий до АЛП саме акумулятор.
2. Структурна схема арифметико-логічного пристрою.
На рисунку 2.4.1 показана структурна схема АЛП та його зв'язки з пристроєм керування процесора ПКП і запам'ятовуючим пристроєм процесора ЗПП.
Рис. 2.4.1 Структурна схема АЛП.
Акумулятор на схемі не зображений, його роль може виконувати один з двох регістрів, наприклад Рг1.
Суматор См призначений для додавання чисел, регістри Рг1 та Рг2 - для їх зберігання.
Пристрій керування обчисленнями ПКО координує роботу АЛП, керує послідовністю дій, необхідних для виконання конкретної операції.
Із запам'ятовуючим пристроєм процесора арифметико-логічний пристрій зв'язаний двома
шинами читання даних ШЧД та шиною запису даних ШЗД, із пристроєм керування процесора - шиною керування ШК, по якій в пристрій керування обчисленнями поступають тактові імпульси,
а з ПКО - сигнал про закінчення обчислень.
3. Схема роботи арифметико-логічного пристрою.
Розглянемо принцип роботи АЛП.
З пристрою керування процесора ПКП по шині керування ШК код арифметичної або логіч-
ної операції поступає в пристрій керування обчисленнями ПКО, де формуються сигнали, які відповідають даній операції.
Потім із запам'ятовуючого пристрою процесора ЗПП вибирається перше число (за адре-
сою, вказаною в команді), яке по шині читання даних ШЧД поступає в регістр Рг1. Друге число, вибране із ЗПП за другою адресою, вказаною в команді, поступає також по ШЧД в Рг2.
Після прийому обох чисел починається виконання операції. Результат операції формується в суматорі См.
Після закінчення формування результат із суматора См поступає через шину запису даних ШЗД в запам'ятовуючий пристрій процесора ЗПП за адресою, вказаною в команді.
Арифметико-логічний пристрій є основою не тільки мікропроцесора, але й будь-якого ін-
шого пристрою з програмованою логікою, призначеного для опрацювання інформації. Сучасні комп’ютери використовують мікропроцесори та АЛП з дуже великими значеннями розрядності, швидкодії та числом регістрів.
Розглянемо роботу АЛП на простіших схемах. Умовне позначення 4-розрядного АЛП показане на рис. 2.4.2. Англійська абревіатура ALU означає arithmetic-logic unit (арифметико-логічний пристрій). Цей АЛП містить дві вхідні (А та В) та одну вихідну (F) 4-розрядні шини.
Інформація, яка надходить по вхідних шинах, опрацьовується відповідно до набору керуючих сигналів, які подаються на входи M, S0, S1, S2, S3.
Результат опрацювання інформації з'являється на виходах F0, F1, F2, F3.
Вхід Ci служить для прийому сигналу перенесення, а на виході перенесення С4 утворюється
Рис. 2.4.2 Умовне позначення 4-розрядного АЛП
сигнал старшого розряду при виконанні арифметичних дій.
З виходу A=B подається сигнал про рівність вхідних двійкових чисел А та В при порозрядному порівнянні. Цей вихід дозволяє використовувати АЛП як компаратор.
Додаткові виходи P та G використовуються для побудови багаторозрядних АЛП. Операції, які може реалізовувати АЛП, наведені в таблиці 2.4.1.
№ |
Код операції |
Логічні |
Арифметичні та |
||||||
|
|
|
|
операції |
арифметико-логічні операції (М=0) |
||||
|
S3 |
S2 |
S1 |
S0 |
(М=1) |
Ci=1 |
Ci=0 |
||
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
F=A' |
F=A |
A+1 |
||
2 |
0 |
0 |
0 |
1 |
F=(A+B)' |
F=A+B |
F=(A+B)+1 |
||
3 |
0 |
0 |
1 |
0 |
F=A'B |
F=A+B' |
F=(A+B)'+1 |
||
4 |
0 |
0 |
1 |
1 |
F=0 |
F=-1 |
F=0 |
||
5 |
0 |
1 |
0 |
0 |
F=(AB)' |
F=A+AB' |
F=(A+AB')+1 |
||
6 |
0 |
1 |
0 |
1 |
F=B' |
F=(A+B)+AB' |
F=(A+B)+AB'+1 |
||
7 |
0 |
1 |
1 |
0 |
F A B |
F=A-B-1 |
F=A-B |
||
8 |
0 |
1 |
1 |
1 |
F=AB' |
F=AB'-1 |
F=AB' |
||
9 |
1 |
0 |
0 |
0 |
F=A'+B |
F=A+AB |
F=A+AB+1 |
||
10 |
1 |
0 |
0 |
1 |
F |
|
|
F=A+B |
F=A+B+1 |
A B |
|||||||||
11 |
1 |
0 |
1 |
0 |
F=B |
F=(A+B')+AB |
F=(A+B')+AB+1 |
||
12 |
1 |
0 |
1 |
1 |
F=AB |
F=AB-1 |
F=AB |
||
13 |
1 |
1 |
0 |
0 |
F=1 |
F=A+A |
F=A+A+1 |
||
14 |
1 |
1 |
0 |
1 |
F=A+B' |
F=(A+B)+A |
F=(A+B)+A+1 |
||
15 |
1 |
1 |
1 |
0 |
F=A+B |
F=(A+B')+A |
F=(A+B')+A+1 |
||
16 |
1 |
1 |
1 |
1 |
F=A |
F=A-1 |
F=A |
||
Таблиця 2.4.1 Операції, які може реалізовувати АЛП.
4. Основні характеристики арифметико-логічних пристроїв.
Залежно від прийнятої системи числення розрізняють АЛП з двійковою, десятковою та двійково-десятковоюсистемою. АЛП з двійковоюсистемою числення використовуються найчастіше.
Залежно від способу реалізації обчислювального процесу розрізняють АЛП послідовної та
паралельної дії.
ВАЛП послідовної дії кожне число вводиться послідовно, розряд за розрядом. Операції проводяться також послідовно, порозрядно.
ВАЛП паралельної дії всі розряди кожного числа поступають одночасно по всіх каналах. Дії з числами проводяться також одночасно у всіх розрядах. АЛП паралельної дії працюють значно швидше, ніж АЛП послідовної дії.
Залежно від форми вираження чисел розрізняють АЛП, які оперують числами з фіксова-
ною комою, з плаваючою комою та цілими числами. При однаковій розрядності АЛП з плаваю-
чою комою має більший діапазон чисел, ніж АЛП з фіксованою комою.
Від розрядності АЛП залежить точність і швидкість обчислень. Чим більша розрядність, тим вища точність, але менша швидкодія. Розрядність АЛП може бути постійною або змінною. Сучасні комп’ютери можуть опрацьовувати числа змінної довжини.
Залежно від типу схеми АЛП поділяються на комбінаційні та послідовні.
У комбінаційних АЛП результат на виході з'являється тільки одночасно з вхідними сигнала-
ми. Із зникненням вхідних сигналів результат також пропадає, оскільки в таких АЛП немає еле-
ментів пам'яті.
В послідовних АЛП числа поступають послідовно одне за одним, результат операції залишається в суматорі після зникнення вхідних сигналів.
Характеристики сучасних АЛП постійно змінюються: збільшується число регістрів і сума-
торів, підвищується їх розрядність і розрядність шин, використовуються схеми та алгоритми, які забезпечують одночасність виконання декількох операцій.
5. Принципи будови та роботи керуючих автоматів.
Всхемотехніці АЛП належать до комбінаційних пристроїв, тобто пристроїв без пам’яті.
Втой же час опрацювання інформації в арифметико-логічних пристроях відбувається з ви-
користанням регістрів, тобто елементів пам'яті. Тому аналіз роботи та проектування АЛП необ-
хідно проводити з урахуванням теорії послідовних цифрових пристроїв (кінцевих автоматів).
Кінцевий автомат відрізняється від комбінаційної схеми наявністю пам'яті.
У кінцевих автоматах вихідні сигнали в деякий момент часу визначаються не тільки комбінаціями вхідних сигналів, які подаються в той же момент часу, але також тими сигналами, які поступили на входи в попередні моменти часу.
Кінцеві автомати, на відміну від комбінаційних, називають також послідовними автоматами.
Контрольні запитання.
1.Як називається головна частина процесора?
2.До яких операцій з двома числами зводяться всі арифметичні дії в АЛП?
3.Який пристрій АЛП керує взаємодією чисел з суматором?
4.В якому регістрі АЛП найчастіше залишається результат виконаної операції?
5.Які операції в АЛП виконує суматор?
6.Які функції в АЛП виконує пристрій керування обчисленнями ПКО?
7.За допомогою яких шин АЛП зв'язаний із запам'ятовуючим пристроєм процесора?
8.За допомогою якої шини АЛП зв'язаний із пристроєм керування процесора?
9.Опишіть роботу арифметико-логічного пристрою за допомогою структурної схеми.
10.Якою англійською абревіатурою позначається арифметико-логічний пристрій?
11.Якими буквами на рис. 14.5 позначені вхідні шини?
12.Якою буквою на рис. 14.5 позначена вихідна шина?
13.Якими буквами на рис. 14.5 позначені входи для подачі керуючих сигналів?
14.На яких виходах АЛП (рис. 14.5) з’являється результат опрацювання інформації?
15.З якою метою (рис. 14.5) використовується вхід Ci?
16.З якою метою (рис. 14.5) використовується вихід С4?
17.Який вихід (рис. 14.5) дозволяє використовувати АЛП як компаратор?
18.З якою метою (рис. 14.5) використовуються додаткові виходи P та G?
19.За допомогою таблиці 14.1 проаналізуйте операції, які може реалізовувати АЛП.
20.Яким чином розрізняють АЛП залежно від прийнятої системи числення?
21.Яким чином розрізняють АЛП залежно від способу реалізації обчислювального процесу?
22.Поясніть принцип роботи АЛП паралельної та послідовної дії.
23.Що можна сказати про швидкість роботи АЛП паралельної та послідовної дії?
24.Яким чином розрізняють АЛП залежно від форми вираження чисел?
25.Які характеристики роботи АЛП залежать від його розрядності?
26.Яким чином розрізняють АЛП залежно від типу схеми?
27.Опишіть принцип роботи комбінаційних та послідовних АЛП.
28.Яка інша назва послідовних цифрових пристроїв?
29.Якою характеристикою кінцевий автомат відрізняється від комбінаційної схеми?
30.Яка інша назва кінцевих автоматів?
Література.
1.Інформатика: 9 кл.: підруч. для загальноосвіт. навч. закл. / Й.Я. Ривкінд, Т.І. Лисенко, Л.А.
Чернікова, В.В. Шакотько; за заг. ред. М.З. Згуровського.– К.: Генеза, 2009. – 296 с.
2.Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2007. - М.: ОЛМА Медиа Групп, 2007. - 896 с.: ил. – (Новейшая энциклопедия).
3.Информатика. Базовый курс. 2-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. - СПб.: Питер, 2005. - 640 с: ил.
4.Мюллер Скотт. Модернизация и ремонт ПК, 17-е издание.: Пер. с англ. - М.: ООО “И.Д.
Вильямс”, 2007. — 1360 с. (+147 c. на СD) : ил. - Парал. тит. англ.
5.Келим Ю. М. Вычислительная техника: Учеб. пособие для студ. сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 384 с.
6.Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench.– М.:
Солон-Р, 2000.- 504 с.