Лабораторная работа №3 Исследование арифметико-логического устройства

Цель работы – изучение функциональных возможностей, области применения и приобретение навыков работы с арифметико-логическими устройствами (АЛУ) на примере микросхемы К155ИП3.

О

бласть применения подобных АЛУ – цифровые устройства управления технологическими процессами. Изучение схемотехники АЛУ на примере микросхемы К155ИП3 дает представление о построении подобных устройств в микропроцессорах, выполненных в виде СБИС.

Описание микросхемы К155ИП3

Микросхема К155ИП3 (рисунках 7, 8) – четырехразрядное, скоростное АЛУ. Оно может работать в двух режимах, выполняя либо 16 логических, либо 16 арифметических операций. Для получения максимального быстродействия при обработке длинных цифровых слов в схеме АЛУ (рисунок 8) присутствует внутренняя СУП.

На входы (активные уровни – низкие) подается четырехразрядное слово А (операнд А), на входы – аналогичное слово-операнд В.

Арифметико-логическое устройство имеет четыре входа выбора SO–S3, с помощью которых можно выбрать 2⁴=16 функций устройства. Реально число этих функций в 2 раза больше: с помощью входа М (mode control) переключаются режимы и АЛУ выполняет либо 16 арифметических операций, либо генерирует 16 логических функций двух переменных.

На входе С_n принимается входной сигнал переноса. Результат выполнения одной из 32 выбранных функций АЛУ появляется на выходах -(активные уровни– низкие). На выходе выделяется сигнал переноса (после четырех разрядов). Этот сигнал подается на вход С_n следующего АЛУ при составлении схем АЛУ большей емкости. Микросхема ИПЗ имеет три вспомогательных выхода: А=В – выход компаратора, отображающий равенство операндов (выход имеет открытый коллектор), G – выход генерации переноса, Р – выход распространения переноса. Выходы иимеют активные низкие уровни.

Микросхема К155ИПЗ управляется параллельными входами выбора SO–S3 и входом управления режимом М. Если на входе М напряжение высокого уровня, запрещаются все внутренние переносы и прибор будет исполнять логические операции поразрядно. При напряжении низкого уровня на входе М переносы разрешаются, и будут выполняться арифметические операции над двумя четырехразрядными словами. За счет полной внутренней СУП сигнал переноса на выходе С_n+4 появляется при каждом входном сигнале переноса, поступившем на вход С_n. Для организации переноса между корпусами АЛУ, объединяемыми в многоразрядную схему, используются выходы и . Данные, появляющиеся на них, не зависят от состояния входа переноса С_n.

Если от многокорпусного АЛУ не требуется максимальное быстродействие, можно использовать простой режим пульсирующего переноса. Для этого выход переноса С_n+4 соединяют с входом переноса С_n следующего АЛУ. Для обеспечения высокоскоростных операций следует включать между приборами К155ИПЗ специальную микросхему ускоренного переноса К155ИП4. Один корпус ИП4 может обслуживать четыре АЛУ ИПЗ.

На выходе компаратора, т.е. на выходе отображения эквивалентности А=В будет напряжение высокого уровня, если на всех четырех выходах оказались высокие логические уровни. Этот выход применяется для отображения логической эквивалентности четырехбитных слов, если АЛУ работает в режиме вычитания. Выход А=В имеет открытый коллектор, что дает возможность объединить несколько таких выходов по схеме «проволочное И». Таким способом можно сравнивать слова, длина которых превышает 4 бит. Сигнал выхода А=В можно использовать совместно с сигналом C_n+4 для выяснения соотношения: А>В или А<В.

Таблица3 – Выбор функций АЛУ К155ИПЗ при высоких активных уровнях операндов

Выбор функции	Выходные данные при активных высоких уровнях
S3 S2 S1 S0	Логические функции (на входе М – напряжение высокого уровня)	Арифметические операции (на входе М напряжение низкого уровня)
		=B (без переноса)	=H (с переносом)
H H H H H H H B H H B H H H B B H B H H H B H B H B B H H B B B B H H H B H H B B H B H B H B B B B H H B B H B B B B H B B B B	1	-1	0

Арифметико-логическое устройство может работать с высокими или низкими активными логическими уровнями. В зависимости от этого меняются знаки инверсии на входах и выходах, а также получаются различные таблицы соответствия логических и арифметических функций кодам выбора функции (входы SO–S3). В таблице 3 показан выбор функций АЛУ при высоких активных уровнях операндов и выходов.

В таблице 4 приведены аналогичные данные для активных низких уровней. В обеих таблицах дан перечень арифметических операций без переноса и с переносом по входу С_n. Операции с переносом отличаются на единицу. При операции А+А каждый бит сдвигается на одну (старшую) позицию.

Таблица 4 – Выбор функций при низких активных уровнях операндов

Выбор функции	Выходные данные при активных низких уровнях
S3 S2 S1 S0	Логические функции (на входе М – напряжение высокого уровня)	Арифметические операции (на входе М – напряжение низкого уровня)
		Cn=H (без переноса)	Hn=B ( с переносом)
H H H H H H H B H H B H H H B B H B H H H B H B H B B H H B B B B H H H B H H B B H B H B H B B B B H H B B H B B B B H B B B B		-1	0

Микросхема АЛУ К155ИПЗ потребляет ток 150, К531ИПЗ – 220 и К555ИПЗ – 37 мА. Время задержки распространения сигнала от входов , до выходов составляют (соответственно): 42, 17 и 32 нс. Наибольшее время задержки распространения сигнала (50, 23 и 41 нс) наблюдается от входов , до выхода С_n+4.