Цель работы: Знакомство с принципом работы арифметическо - логического устройства (АЛУ). Получение практических навыков работы с алу.

1.Основные понятия

основа однокристальной ЭВМ - микропроцессор. Одним из основных устройств микропроцессора является арифметическо - логическое устройство.

По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающим прием из других устройств операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства.

Арифметическо - логические устройства служат для выполнения арифметических и логических преобразований над словами, называемые в этом случае операндами. Выполняемые в АЛУ операции можно разделить на следующие группы:

- операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

-операции двоичной арифметики для чисел с плавающей точкой;

- операции десятичной арифметики;

- операции специальной арифметики;

- операции над логическими кодами(логические операции);

- операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции всех приведенных выше групп, а малые и микро ЭВМ, микропроцессоры и специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры арифметики чисел с плавающей точкой, десятичной арифметики и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами. К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей (“короткие операции”) и умножение и деление (“длинные операции”). Группы логических операций составляют операции дизъюнкция (логическое ИЛИ) и конъюнкция (логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остается на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации. Параметры для АЛУ современных ЭВМ: длина слова 32 разряда (4 байта), скорость работы - миллионы сложений чисел с фиксированной точкой в секунду.

2.Описание работы стенда.

Лабораторный стенд “АЛУ” предназначен для действий с двумя четырехразрядными двоичными словами: А=А₃А₂А₁А₀ и В=В₃В₂В₁В₀ (Рис. 1). Конкретный вид операции, выполняемой АЛУ, задается пятиразрядным кодом на входах МF₃F₂F₁F₀. Всего стенд способен выполнить 2⁵=32 операции: 16 логических (И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ и др.) и 16 арифметических и арифметико-логических (сложение, вычитание, сравнение чисел и лр). Операции сложения и вычитания проводятся с ускоренным переносом из ряда в ряд. На выходах S₀, S₁, S₂ и S₃ формируются результаты логических преобразований и арифметических действий.

Рисунок 1

На выходе переноса С₄ образуется сигнал старшего (пятого) разряда при выполнении арифметических операций.

Выходы А=В,G,P используются при работе АЛУ в режиме компаратора и при организации многоразрядных АЛУ. В работе данного стенда они не используются.

Слова А и В, подлежащие обработке, могут быть представлены в положительной либо отрицательной логике. Таблицы истинности для каждого варианта логики различны (Таблица 1).

Таблица 1 - Функциональная зависимость выходов микросхемы К155ИП3 от состояния входов.

Входы выбора функции

Вход-выход (отрицательная логика)

Вход-выход (положительная логика)

F3

F 2

F1

F0

Логическая функция (М=Н)

Арифметичес-кое действие (М=L; С=L)

Логическая функция (М=Н)

Арифметическое действие (М=L; С=H)

L

L

L

L

А

А - 1

А

А

L

L

L

H

АВ

АВ - 1

А v В

А v В

L

L

H

L

А v В

АВ - 1

АВ

А v В

L

L

H

H

Логическая1

- 1

Логический0

- 1

L

H

L

L

А v В

А + (А v В)

АВ

А + АВ

L

H

L

H

В

АВ +(А v В)

В

(А v В)+ АВ

L

H

H

L

А В

А -В - 1

А В

А -В -1

L

H

H

H

А v В

А v В

АВ

АВ -1

H

L

L

L

АВ

А +(А v В)

А v В

А + АВ

H

L

L

H

А В

А +В

А В

А + В

H

L

H

L

В

АВ +(А v В)

В

(А v В) + АВ

H

L

H

H

А v В

А v В

АВ

АВ - 1

H

H

L

L

Логический0

(А + А)*

Логическая1

(А + А)*

H

H

L

H

АВ

АВ + А

А v В

(А v В) + А

H

H

H

L

АВ

АВ +А

А v В

(А v В) + А

H

H

H

H

А

А

А

А - 1

Примечания. 1.L-низкий уровень напряжения; Н- высокий уровень напряжения

2.Высокий уровень напряжения (Н) на выходе А=В имеет место при равенстве слов А и В.

^* Равнозначно тому, что каждый разряд сдвинут в направлении более высокого разряда.

А - отрицание ( операция НЕ )

АВ - конъюнкция ( операция И )

АvВ - дизъюнкция ( операция ИЛИ )

А В - логическая неравнозначность (исключающее ИЛИ )

Уровни сигналов обозначены буквенными символами: L - низкий уровень напряжения; Н - высокий уровень напряжения. Результаты арифметических операций выражены в дополнительном коде. Как отмечалось, числа в дополнительном и в обратном коде связаны простым соотношением N_доп = N_обр+1 или N_обр = N_доп-1. Поэтому в тех строках таблицы, где указана операция “- 1”, результат арифметических действий представлен в обратном коде.

Старший разряд кода выбора операции (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. Арифметические операции выполняются, когда на входе М установлен низкий потенциал, который является также разрешающим сигналом для переноса между разрядами.

Выходной результат формируется с учетом состояния входа переноса. Оба сигнала переноса - входной С и выходной С4- инверсные относительно сигналов на входах А и В, т.е. когда слова А и В - в положительной логике, сигналу переноса отвечает низкий уровень напряжения на соответствующем выводе (светодиод на выходе не горит), а в отрицательной логике - наоборот.

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

Лицевая панель стенда состоит из таблицы функционирования АЛУ и условного графического изображения АЛУ с присоединёнными к его входам переключателями и светодиодами на выходах.

Все переключатели в правом положении подают на вход АЛУ логическую единицу, в левом - логический ноль. Все переключатели имеют обозначение: А и В - слова, М и F - входы для установки кода операции, С - вход приема сигнала переноса.

Выходы микросхемы обозначены буквой S. Цифры при буквах обозначают разряд (цифра больше - разряд старше и наоборот). На выходах микросхем установлены светодиоды.

Для включения стенда необходимо переключатель “Сеть” перевести в положение “Вкл.”, при этом должен загореться зеленый светодиод “Питание”.

Пример 1:

входному коду MF₃F₂F₁F₀ = LLLLL и С = Н (положительная логика) отвечает арифметическая операция А. Если А₃А₂А₁А₀ = 1010 , то на выходе будет S₃S₂S₁S₀ = 1010, вход В на выход не влияет.

Пример 2:

входному коду MF₃F₂F₁F₀ = НLLН и С = Н (положительная логика)

отвечает арифметическая операция А + В. Если А₃А₂А₁А₀ = 0010, а В₃В₂В₁В₀ = 0101 то на выходе будет S₃S₂S₁S₀ = 0111.