лабораторная работа / алу / АЛУ 3

Балаковский Институт Техники Технологии и Управления

Инженерно-строительный факультет

Кафедра Управлния и Информатики в Технических Ситстемах

Лабораторная работа

Арифметико-логическое устройство

Выполнили:

Студенты гр. УИТ-41в

Проверил преподаватель

«___» _____________2004г.

Балаково-2004г.

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 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 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 дизъюнкции (логическое ИЛИ) и конъюнкции (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). 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 = A₃A₂A₁A₀ и В =B₃B₂B₁B₀, которые поступают на информационные входы микросхемы (рис. 1). Конкретный вид операции, выполняемой АЛУ, задается пятиразрядным кодом на управляющих входах MF3F2FiF0. Всего стенд способен выполнить 2⁵=32 операции: 16 логических (И, И-НЕ, ИЛИ. 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 выходах S_o, S₁, S₂ и S₃ формируются результаты логических преобразований и арифметических действий.

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

Выходы (А=В), G, Р 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_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.

Рисунок 1 — Назначение входов и выходов универсального

арифметическо-логического устройства (микросхема К155ИП3)

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 (рис. 1) 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 хода 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 производится согласно следующим переключательным функциям:

Формирование переноса в i - м разряде:

G_i = aibiFo+a_ibiF₁;

Разрешение переноса в i- м разряде.

Tj = ai+biF2 + bi F3;

Сумма в i- м разряде без учета переноса:

Si-TjGi + TiGi;

Сумма в i- м разряде с учетом переноса из младшего разряда;

Zi=S_i p_i-1 + S_ip_i-1.

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

Вывод переключательных функции:

1.1 Старков

F₃F₂F₁F₀

0111

G=ab1 ab1= ab ab=a, G=G=а

T= a b1 b0= a b = а b, T = T = a b = a b

S=(a b) a a b a = a a a b = a a b a b = a (1+ b ) a b

1.2

F₃F₂F₁F₀

0110

G=a b 0 a b 1= a b , G=G=a b=a b

T= a b 1 b 0=a b=a b, T=T=a b=a b

S=(a b) a b (a b) a b=a a b a b b a a b a b b=a b a b a b a b a b=a b a b

2.1 Пашкин

F₃F₂F₁F₀

0101

G=ab1 ab0= ab, G=G=ab=a b

T= a b1 b0= a b=ab, T=T=ab=a b

S=(a b)ab ab(a b)=b ab=b(1 a)=b

2.2 F₃F₂F₁F₀

0100

G=ab0 ab0=0, G=G=1

T= a b1 b0 = a b=ab, T=T=a b=a b

S_i =(a b)0 1ab = ab=a b

Таблица результатов проверки:

Фамилия студента	Значения МF3F2F1F0	Переключательная функция	Код слова А	Код слова В	Результат операции S3S2S1S0	Цифра переноса C4
Старков	0111 0110	A B
Пашкин	0101 0100	A B

Вывод: ознакомились с принципом работы универсального арифметическо-логического устройства (АЛУ) Реализовали на стенде аналитически полученные переключательные функций.

Таблица результатов проверки:

Фамилия студента	Значения МF3F2F1F0	Переключательная функция	Код слова А	Код слова В	Результат операции S3S2S1S0	Цифра переноса C4
Петрова	1111 0000	А А	1001 1001	0010 0010	1001 0111	1 0
Шахова	0101 1010	В В	1001 1001	0010 0010	1011 0100	1 0
Худякова	1100 0011	Логический 0 Логическая 1	1001 1001	0010 0010	0000 1111	1 1
Захарова	0001 1000	АВ А = АВ АВ	1001 1001	0010 0010	1111 0100	1 0