лабораторная работа / алу / АЛУ 4

Министерство общего образования Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

Лабораторная работа.

ЭВМ и вычислительные системы

«Арифметико-логическое устройство»

Выполнили студенты гр. УИТ-42в

Проверила:

Балаково 2003 г.

Цель работы: знакомство с принципом работы универсального арифметическо - логического устройства (АЛУ). Реализация на стенде аналитически полученных переключательных функций.

Основные понятия

Арифметическо - логическое устройство входит в состав процессора и является операционным блоком, выполняющим арифметические и логические 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, называемыми в этом случае операндами. Выполняемые в АЛУ операции можно разделить на следующие группы:

- операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной запятой;

- операции двоичной арифметики для чисел с плавающей запятой;

- 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 микро – ЭВМ. Микропроцессоры и специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры арифметики чисел с плавающей запятой. 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 дизъюнкции (логические ИЛИ) и конъюнкции (логические 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). Параметры для АЛУ современных ЭВМ: длина слова 32-64 разряда (4-8 байт), скорость работы зависит от частоты процессора, в состав которого входит АЛУ, и типа выполняемых операций.

Описание работы стенда

Лабораторный стенд «Универсальное АЛУ» предназначен для действий над двумя четырехразрядными двоичными словами: А=А₃ А₂ А₁ А₀ и В= В₃ В₂ В₁ В_0, которые поступают на информационные входы микросхемы (рис.1). Конкретных вид операции, выполняемой АЛУ, задается пятиразрядным кодом на управляющих входах МF₃ F₂ F₁ F₀ . Всего стенд способен выполнить 2⁵=32 операции: 16 логических (И, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.) и 16 арифметических и арифметическо-логических (сложение, вычитание, сравнение чисел и пр.). Операции сложения и вычитания проводятся с ускоренным переносом из разряда в разряд. На входах S₃ S₂ S₁ и S₀ формируются результаты логических преобразований и арифметических действий.

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.

Четырехразрядные слова А и В, подлежащие обработке, могут быть представлены в положительной либо отрицательной логике. Таблицы истинности для каждого варианта логики различны и отображены в сводной таблице 1.

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_доп=N_обр-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.

Таблица 1

Функциональная зависимость выходов микросхемы К155ИПЗ

от состояния входов

Входы выбора функции

Вход-выход (отрицательная логика)

Вход-выход (положительная логика)

F3	F2	F1	F0	Логическая функция (М=Н)	Арифметическое действие (М=L;С=L)	Логическая функция (М=Н)	Арифметическое действие (М=L;С=L)
L	L	L	L	А	А-1	А	А
L	L	L	H	АВ	АВ-1	А В	А В
L	L	H	L	А В	АВ-1	АВ	А В
L	L	H	H	Логическая	-1	Логический	-1
L	H	L	L	А В	А+(А В)	АВ	А+АВ
L	H	L	H	В	АВ+(А В)	В	(А В)+АВ
L	H	H	L	А В	А-В-1	А В	А-В-1
L	H	H	H	А В	А В	АВ	АВ-1
H	L	L	L	АВ	А+(А В)	А В	А+АВ
H	L	L	H	А В	А+В	А В	А+В
H	L	H	L	В	АВ+(А В)	В	(А В)+АВ
H	L	H	H	А В	А В	АВ	АВ-1
H	H	L	L	Логический	(А+А)	Логическая	(А+А)
H	H	L	H	АВ	АВ+А	А В	(А В)+А
H	H	H	L	АВ	АВ+А	А В	(А В)+А
H	H	H	H	А	А	А	А-1

Примечание: 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);

А В – дизъюнкция (операция ИЛИ);

А В – логическая неравнозначность (исключающее ИЛИ).

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 (таблица 1) и условного графического изображения АЛУ (рис.1) с присоединенными 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. Формирование суммы в каждом разряде производятся согласно следующим переключательным функциям:

Формирование переноса в i – м разряде:

G_i=a_ib_iF₀+a_ib_iF₁;

Разрешение переноса в i – м разряде:

T_i=a_i+b_iF₂+b_iF₃;

Сумма в i – м разряде без учета переноса:

S_i=T_iG_i+T_iG_i;

Сумма в i – м разряде с учетом переноса из младшего разряда:

Z_i=S_ip_i-1+ S_ip_i-1.

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

Для реализации переключательных функций необходимо на входах А и В установить заданные преподавателем коды четырехразрядных слов, на управляющих входах МF₃ F₂ F₁ F₀ – код операции. На входах S₃ S₂ S₁ S₀ – будет получен результат операции, а на выходе С₄ – перенос со старшего разряда суммы при выполнении арифметической операции. Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1

Входному коду МF₃ F₂ F₁ F₀=LLLLL и С=Н (положительная логика) отвечает арифметическая операция А. Если А₃ А₂ А₁ А₀=1010, то на выходе будет S₃ S₂ S₁ S₀=1010, вход В на выход не влияет.

Пример2.

Входному коду МF₃ F₂ F₁ F₀=НLLН и С=Н (положительная логика) отвечает арифметическая операция (А+В). Если А₃ А₂ А₁ А₀=0010,а В₃ В₂ В₁ В₀=0101, то на выходе будет S₃ S₂ S₁ S₀=0111, так как нет переноса со старшего разряда суммы, на выходе С₄ – нулевой уровень сигнала.