Обобщенная структурная схема алу

Обобщенная структурная схема АЛУ (рис. 3.18) включает:

• блок регистров для приема и размещения операндов и результатов;

• операционный блок, в котором осуществляется преобразование операндов в соответствии с реализуемыми алгоритмами;

• схемы контроля, обеспечивающие непрерывный оперативный контроль и диагностирование ошибок;

• блок управления (БУ), в котором после приема кода операции (КОП) из центрального устройства управления формируются управляющие сигналы (УС), координирующие взаимодействие всех узлов АЛУ между собой и с другими блоками процессора.

Блок регистров связан с РОН центрального процессора и кэш-памятью данных.

Иногда АЛУ не содержит своего БР, в этом случае операционный блок непосредственно работает с регистрами общего назначения процессора. Для оперативного управления выполнением операции в ОБ на разных этапах анализируется преобразуемая информация и формируются сигналы признаков (флаги), которые используются в БУ для выработки и посылки в процессор сигнала признака результата (ПРез).

Для оценки АЛУ используются следующие характеристики: множество выполняемых операций, разрядность, время выполнения операций, надежностные и энергетические характеристики.

Методы повышения быстродействия алу

Одним из эффективных и широко используемых методов повышения быстродействия АЛУ является реализация принципа локального параллелизма.Суть этого принципа заключается в распараллеливании во времени алгоритма выполнения отдельной команды на ряд независимых этапов и их реализации на различных операционных узлах (СМ, СДВ, ПК и т.д.) АЛУ.

Другой хорошо известный метод увеличения быстродействия – конвейерная обработка.Операционный блок разбивается на несколько частей – ступеней (уровней) конвейера. На каждой ступени выполняется определенная стадия операции. Совмещение стадий выполнения нескольких операций на различных ступенях конвейера приводит к тому, что реализация следующей операции начинается в нём до окончания предыдущей. Это значительно увеличивает быстродействие операционного блока. Такую организацию ОБ стали называтьарифметическим конвейером.

На рис. 3.19 показана схема конвейерного сумматора с плавающей запятой. Конвейер содержит четыре ступени. Результат выполнения каждой стадии операции фиксируется на регистрах. Когда конвейер полностью заполнен, то стадия 4 (нормирование) выполняется, например, для первой пары операндов, стадия 3 (предварительной обработки) – для второй пары операндов, стадия 2 (сложение мантисс) – для третьей пары, стадия 1 (сравнение порядков) – для четвертой пары операндов. В каждый последующий такт времени на выходе конвейера будет формироваться результат выполнения операции для каждой пары операндов.

Еще один способ сокращения длительности выполнения многотактных операций типа умножения является разработка и использование эффективных алгоритмов.Ускорение выполнения операции умножения достигается одновременным анализом нескольких разрядов множителя, использованием быстрых сумматоров с сохранением переносов и реализацией конвейерного метода обработки. Такой подход широко используется при создании функционально независимых блоков ускоренного умножения (умножителей).

Развитием системы команд универсальных ЭВМ, в том числе и персональных компьютеров, стало введение векторных операций – операций над упорядоченными массивами данных (у супер ЭВМ векторные операции появились давно).

В связи с этим в структуре процессора наблюдается специализация устройств по типам операндов: скалярные и векторные. В составе процессора появляются регистровая память и средства обработки двух типов: скалярные и векторные.

К векторным средствам обработки относятся:

• один или несколько арифметических конвейеров для обработки элементов векторов;

• векторные регистры для хранения векторной информации.

Векторные средства обработки информации позволяют увеличить производительность ЭВМ в несколько раз.