3.9. Арифметико-логические устройства
Для выполнения над операндами А и В как арифметических, так и логических операций используются микросхемы универсальных арифметико-логических устройств (АЛУ). Основой АЛУ служит сумматор, схема которого дополнена логикой, расширяющей функциональные возможности АЛУ и обеспечивающей его перестройку с одной операции на другую.
Наиболее часто АЛУ четырехразрядные и для наращивания разрядности они объединяются с формированием последовательных или параллельных переносов. Логические возможности АЛУ разных технологий (ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ) сходны.
В зависимости от построения и характера работы различают АЛУ последовательного, параллельного и параллельно – последовательного действия. В АЛУ последовательного действия операции над кодами осуществляются последовательно, разряд за разрядом. Код числа представляется в виде серии сигналов, действующих в одной и той же цепи в различные моменты времени. В АЛУ параллельного действия операции над кодами чисел осуществляются параллельно по всем разрядам. Коды чисел изображаются в виде совокупности сигналов, каждый из которых действует по своей определенной цепи. Такие АЛУ получили наиболее широкое применение. В АЛУ параллельно – последовательного действия коды чисел разбиваются на группы из определенного количества разрядов. Операции над кодами чисел внутри каждой группы осуществляются параллельно, а операции между группами разрядов осуществляется последовательно.
На рисунке 3.26 показано условное графическое обозначение АЛУ. Здесь А и В – входы операндов, S – входы выбора операций, Ci – сигнал переноса и М (Mode) – сигнал задания типа операции: М=1 соответствует логическим операциям, а М=0 – арифметическим. Результат операции выдается на выходы Y, выходы G и H предназначены для выдачи значений генерации и прозрачности, используемые для организации параллельных переносов при наращивании размерности АЛУ. Сигнал Co – выход переноса, а выход A=B<> - выход сравнения на равенство с открытым коллектором.
Рис.3.26 Условное графическое обозначение АЛУ
В таблице 3.10 приведен перечень операций, выполняемых АЛУ. Шестнадцать логических операций позволяют воспроизводить все функции двух переменных. В арифметико-логических операциях встречаются операции, являющиеся и логическими и арифметическими одновременно.
Запись
означает:
вначале поразрядно выполняются операции
инвертирования (
),
за ней – логического сложения (
)
и умножения (
),
а затем полученные результаты (
)
и (
)
складываются арифметически.
При операциях над словами большой размерности АЛУ соединяются друг с другом с организацией последовательных или параллельных переносов. В последнем случае совместно с АЛУ применяют микросхемы – блоки ускоренного переноса (CRU), получающие от отдельных АЛУ сигналы генерации и прозрачности, а также входной перенос и вырабатывающие сигналы переноса.
Возможна блочная и многофункциональная структура АЛУ. В блочном АЛУ содержится набор устройств для выполнения отдельных видов операций или операций над определенными видами операндов. В многофункциональных АЛУ все операции над любыми числами выполняются в одном устройстве. Основу таких АЛУ составляют сумматоры и регистры, которые при выполнении отдельных операций коммутируются между собой определенным образом посредством групп логических элементов. АЛУ блочного типа состоят из отдельных блоков сложения, умножения, деления и т.д. Такие АЛУ имеют большее быстродействие, чем многофункциональные, однако для своей реализации требуют больше оборудования.
Таблица 3.10 Перечень операций, выполняемых АЛУ
|
S3 |
S2 |
S1 |
S0 |
Логические функции (М=1) |
Арифметико-логические функции (М=0) |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
|
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 |
1 |
0 |
1 |
|
|
|
1 |
1 |
1 |
0 |
|
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
