Стендовая реализация лабораторной работы.

Контрольные вопросы.

1. Для чего предназначен сумматор?

2. Объясните принцип работы одноразрядного сумматора. Зарисовать его условное обозначение и таблицу истинности.

3. Чем отличаются полусумматоры от сумматора?

4. Объясните принцип работы полусумматора. Зарисовать его условное обозначение.

Приложение 1.

Краткое техническое описание стенда.

Стенд №9

Предполагаемый внешний вид:

Внешний вид установки:

Исследуемые схемы монтируются на печатных платах из фольгированного стеклотекстолита, которые укрепляются на алюминиевой (дюралюминиевой) основе размером 430 на 200 мм, закрытой сверху прозрачным пластиком.

Цветное изображение исследуемых схем, название работы, переключатели находится между металлической основой и защитным пластиком. Питание стендов осуществляется от имеющихся источников, встроенных в лабораторные столы.

Приложение 2.

Шаг 1

На первом шаге необходимо выбрать тип сумматора.

Шаг 2

Подавая напряжение на входы «А» и «В» можно наблюдать как проходят сигналы на функциональной схеме и сравнить результат с таблицей истинности.

Шаг 3

Нажав на элемент функциональной схемы (полусумматор), рядом со словом нажми, можно просмотреть функциональную схему полусумматора и прохождение сигналов внутри него. В окне «Функциональная схема полусумматора» можно просмотреть состояние обоих полусумматоров и условное графическое обозначение.

Исследование работы арифметико-логического устройства.

Цель лабораторной работы:

Подавая на соответствующие входа АЛУ управляющие сигналы, соответствующие арифметическим или логическим операциям, исследовать его работу. Составит таблицу истинности.

Теоретическое введение.

Арифметико-логические устрой-ства являются частью процессоров и предназначены для выполнения операций над машинными словами (т. е числами, командами кодами других объектов). Набор операций, выполняемых АЛУ, является, важнейшей его характеристикой. Число операций колеблется от нескольких операций (16 в АЛУ простейших микропроцессоров) до нескольких сотен. При всём разнообразии наборов операций в их составе всегда имеются четыре основные арифметические операции и наиболее важные логические операции, такие как сравнение, поразрядная конъюнкция и другие. К временным характеристикам АЛУ относятся средние времена выполнения отдельных операций ti и среднее время выполнения операции в АЛУ.

где Pi - частота появления i- той операции. Набор частот Pi зависит от характера вычислений.

Любое АЛУ имеет в своем составе один или несколько регистров, сумматор и блок местного управления (БМУ), вырабатывающий необходимые последовательности управляющих сигналов.

По способу обмена информацией между регистрами и сумматором АЛУ делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. В универсальных цифровых ЭВМ используют, как правило, параллельные АЛУ, так как, их применение позволяет более, чем в n раз (n - длина операндов), повысить быстродействие по сравнению с последовательными АЛУ при увеличении аппаратных затрат менее, чем в 2 раза. [Операнды-слова (числа), которыми выполняется некоторая операция в АЛУ]. Последовательные и последовательно-параллельные АЛУ применяются в малых и специализированных ЭВМ в тех случаях, когда к быстродействию ЭВМ не предъявляется жестких требований. По форме представления чисел, различают АЛУ с плавающей запятой, и АЛУ, с фиксированной запятой и АЛУ, работающие как с плавающей, так и с фиксированной запятой. В некоторых ЭВМ предусмотрен режим целых чисел, при котором запятая фиксируется после последнего разряда числа.

В зависимости от принятой системы счисления АЛУ разделяют на двоичные, троичные, десятичные. Известны АЛУ, работающие в системах счисления с основанием -восьмеричные, шестна-дцатеричные и др.

По способу ввода входной информации АЛУ подразделяют на автономные, неавтономные и полуавтономные. Автономные АЛУ в процессе функционирования не приобретают внешней информации. Такой режим является основным для АЛУ большинства ЭВМ. Неавтономные АЛУ в процессе работы получают информацию об уточненных значениях операндов через внешние каналы. В полуавтономных АЛУ сочетаются оба режима ввода операндов.

В зависимости от времени выполнения отдельных операций различают АЛУ синхронного и асинхронного типа. В синхронных АЛУ на выполнение различных операций отводится одно и тоже время. В асинхронных АЛУ на выполнение каждой операции отводится столько тактов машинного времени, сколько требуется при каждой конкретной ее реализации, а следующая операция начинается лишь по сигналу кона текущей операции. Комбинированные АЛУ сочетают простоту синхронных АЛУ и быстродействие асинхронных АЛУ. При этом все операции делятся на несколько групп, чаще всего на две: одно и многоактные. Одноактные операции реализуются по синхронному способу, а многоактные — по асинхронному.

На рисунке 1 представлена обобщенная структурная схема асинхронного АЛУ, типичная для ЭВМ. Она включает в себя: блок регистров БР, предназначенных для приема и размещения операндов и результатов; арифметико-логический блок АЛБ, в котором осуществляются преобразования операндов согласно коду операции КОП в реализуемой команде; схема контроля СхК, обеспечивающая непрерывный оперативный контроль и диагностику ошибок; блок местного управления БМУ, в котором формируется УС, координирующие взаимодействие всех блоков АЛУ между собой и с другими блоками процессора. Для оперативного управления работой АЛУ на разных этапах выполнения операций производится анализ преобразуемой информации и на основании сигналов признаков формирует и выдает осведомительный сигнал ОС, характеризующий некоторое состояние процессора.

В асинхронных АЛУ выполнение операции производится по сигналу " начало операции " (НО), а переход к выполнению очередной команды - по сигналу " конец операции " (КО).

По способам организации микроопераций АЛУ разделяют на АЛУ с закрепленными микрооперациями, общими микрооперациями, конвейерного типа.

В АЛУ с закрепленными микрооперациями в, регистрах для реализации каждой микрооперации имеется специальная функциональ-ная схема, а АЛУ в целом имеет большое число идентичных схем, связанных с различными регистрами. АЛУ с общими микрооперациями состоят из нескольких регистров общего назначения, имеющих цепи для передачи операндов. Цепи же для выполнения арифметических и логических операций вынесены из регистров и объединены в специальный блок. Настройка такого АЛУ на реализацию требуемой операции производится путем подключения регистров общего назначения к блоку арифметических и логических цепей с помощью мультиплексоров. АЛУ такого типа называют также магистральными (к числовым магистралям, то есть каналам для передачи операндов, здесь поочередного подключаются регистры и блок арифметических и логических цепей) или АЛУ с сосредоточенной памятью и логикой. АЛУ конвейерного типа состоит из l регистров, где l-максимальное число микроопераций, необходимых для выполнения любой операции из заданного их набора, причем каждый регистр имеет все необходимые цепи для выполнения любой микрооперации. Регистры связанные между собой так, что цифра из i-того разряда некоторого регистра может быть передана только в i-й, i+1-й или i-1 -й разряды соседнего регистра. Микрооперации выполняются при передаче слов с регистра на регистр под воздействием синхронизирующих сигналов. Одновременно в такой АЛУ могут выполнятся микрооперации, относящиеся к I различным операциям, что и отражено в названии, "конвейерное АЛУ".

По структуре АЛУ делят на универсальные и блочные. В АЛУ универсального типа все операции выполняются с использованием одних и тех же аппаратных средств. АЛУ блочного типа состоят из отдельных операционных блоков, каждый из которых предназначен для выполнения одной или нескольких, близких по смыслу, операций.

В АЛУ выполнение любой операции рассматривается как сложное действие, сводящееся к последовательности элементарных операций (микроопераций). Для управления порядком следования микроопераций используются логические условия, которые могут принимать значения О или 1, в зависимости от значений операндов. Поэтому процесс выполнения операций в АЛУ может быть описан в терминах микроопераций и логических условий как некоторая их последовательность, называемая микроалгоритмом этой операции

Таким образом, структура и функции АЛУ определяются набором микроалгоритмов выполнения операций, обобщенной моделью АЛУ может служить композиция операционного автомата (ОА) и управляющего автомата (УА).

Рисунок 2. Структура АЛУ.

ОА служит для хранения операндов в течении времени выполнения операции, формирования результата путем выполнения последовательности микроопераций и определения значений логических условий. УА предназначен для формирования управляющих сигналов в соответствии с микроалгоритмом операции. Функции ОА можно описать, задавая множества входных и выходных слов (операндов и результата), множество внутренних слов (промежуточных результатов), множество микроопераций, необходимых для преобразования операндов в результат, а также множество проверяемых логических условий. Такое описание не отражает способа работы ОА и порядка выполнения микроопераций, так как время не является аргументом функций ОА. Структура ОА отражает информационные связи в микроалгоритмах и определяет лишь средства, а не процесс выполнения операций. Структура же УА отражает связи по управлению в микроалгоритмах реализуемых операций, а его функции определяют процесс вычислений путем проверки в определенном порядке логических условий и формирования управляющих сигналов, по которым происходит выполнение отдельных микроопераций. К таким микрооперациям относятся : прием слова X на

регистр RG (Х -> RG),выдача прямого (RG->) или инверсного (RG ->0) содержимого регистра RG, установка s 0 (сброс) регистра RG (0 ->RG), сдвиг содержимого регистра RG на i разрядов влево (< i RG) или вправо (> i RG), прибавление или вычитание единицы к содержимому счетчика СТ(СТ±1 СТ).

Выполнение любой операции в АЛУ начинается с подготовительных микроопераций извлечения операндов из запоминающих устройств (ЗУ) и фиксации их в определенном порядке в регистрах АЛУ.

Сейчас АЛУ выпускаются в виде ИМС, входящих в состав различных серий (например, К 155 ИПЗ, К 561 ИПЗ) имеют условно-графическое обозначение, показанное на рис 3.

Эта ИМС предназначена для действий с двумя четырёхразряд-ными двоичными словами А и В. Результат выполнения логических преобразования и арифметических действий поступает в виде четырёхразрядного слова на выходы F. Кроме того, имеется вход Р0 и выход Р сигналов переноса, отдельный выход признака равенства данных А = В. В зависимости от набора управляющих сигналов S микросхема выполняет одну из 16 логических (при S4(1) или арифметико-логической операции (S4 = 0). При этом логические операции выполняются поразрядно над каждой парой одноименных разрядов входных слов (входы и выходы переноса отключаются), а арифметические над четырёхразрядными словами с учётом сигнала переноса. Реализуемые АЛУ функции представлены в таблице 1.

Обозначения:

v - логическое сложение;

• - логическое умножение;

- сложение по модулю 2;

+ - арифметическое сложение;

— -арифметическое вычитание;

F = А + А - сдвиг влево на один разряд

При S4=0 АЛУ настраивается на выполнение логическо-арифметических операций. Порядок выполнения при этом такой, что сначала производятся необходимые логические преобразова-ния над входными словами (при этом переносы не учитываются), а затем арифметические действия сложения и вычитания с учётом переноса Р0.

Операции сложения выполняется АЛУ, настроенным управляющими сигналами S4, . . . S0 на работу в качестве сумматора. Для того, чтобы не усложнять конструкцию АЛУ, операцию вычитания (для которой был бы нужен специальный вычитатель) заменяют сложением (выполняемым сумматором) уменьшаемого с вычитаемым, представленным в специальном коде. Рассмотрим это действие подробнее. Вычитание двоичных чисел записанных в прямом коде, подобно вычитанию в десятичной системе :

Стрелками показана операция "заём", производимая для тех разрядов, в которых вычитаемое больше уменьшаемого.

При S4=0 АЛУ настраивается на выполнение логическо-арифметических операций. Порядок действий при этом такой, что сначала производятся необходимые логические преобразования над входными словами (при этом перенос не учитывается), а затем — арифметические действия сложения и вычитания с учетом переноса Р₀

Операция сложения выполняется АЛУ, настроенным управляющими сигналами S4, ... , SO на работу в качестве сумматора. Для того, чтобы не усложнять конструкцию АЛУ, операцию вычитания (для которой был бы нужен специальный вычитатель) заменяют сложением (выполняемым сумматором) уменьшаемого с вычитаемым, представленным в специальном коде. Рассмотрим это действие подробнее. Вычитание двоичных чисел, записанных в прямом коде, подобно вычитанию в десятичной системе:

Стрелками обозначена операция "заем", производимая для тех разрядов, в которых вычитаемое больше уменьшаемого.

В десятичной системе занимаемая единица старшего разряда равна десяти единицам соседнего младшего разряда, а в двоичном -двум единицам младшего разряда.

Для замены операции вычитания операцией сложения приходится представлять вычитаемое в дополнительном коде. Дополнительный код образуется из обратного (инверсного) кода добавлением к нему единицы. Так, четырёхразрядное вычитаемое В, представленное в прямом коде Впр=В4ВЗВ2В1, может быть представлено

и в обратном коде Вобр=В4ВЗВ2В1, и в дополнительном коде Вдоп=Вобр+1

Очевидно, для четырехразрядных чисел, записанных в этих кодах, справедливы равенства.

Впр+Вобр-1111; Впр+Вдоп=Впр+Вобр+1=1111+1=10000;

Впр=10000-Вдоп=10000-Вобр-1.

Следовательно, операцию вычитания можно представить в виде

Апр~Впр=Апр+Вдоп-10000.

Таким образом, АЛУ при выполнении операции вычитания входной операнд В, преобразуется в дополнительный код, а вычитание числа 10000 производится без помощи специальных схем, только с использованием переноса в старший (пятый разряд). Правда при этом, результат арифметических действий на выходе АЛУ будет представлен также в обратном коде.

Методика исследования.

Работа арифметико-логического устройства.

«А» виртуальная реализация лабораторной работы

Прежде чем приступить к выполнению виртуальной лабораторной работы необходимо инсталлировать программ-мное обеспечение CircuiMaker2000. Программа находится на настоящем диске в папке CM2000. Для инсталляции запустите файл SetupCM2000.exe, выберите стандартный тип установки и следуйте указаниям инсталлятора. Пароль для инсталляции находится в файле Password.txt в той же папке. После установки установите пакет обновлений файл CM2000SP1.exe. Инструкция по работе с программой CircuiMaker2000 находится в Приложении №2. В ряде случаев имеются отличия виртуальной лабораторной работы от ее стендовой реализации. Критерием правильности является верное выполнение таблицы истинности.

«Б» стендовая реализация лабораторной работы

Порядок выполнения работы.

Включите стенд (кнопка "POWER" горит), внешний вид см. в Приложение№1.

Следуя заданию учителя используя таблицу функций, реализуемых АЛУ. (теоретическое введение) выберите код необходимой вам операции с помощью кнопок S₁₀- S₁₄ (кнопка S₁₄ выбирает либо логическую, либо арифметико-логическую операцию, причем если VD20 светится, то выбрана логическая операция).

Проверьте действия заданной операции на трех-четырех примерах (производя операцию над двумя 4-х значными двоичными словами).

Заполните таблицу 1, проверив работу не менее 2-х логических и 2-х арифметико-логических операций.

Сверьте правильность выполнения операции АЛУ, проделав операции вручную.

Выключите стенд.

Таблица 1.

	Слово А				Слово В					Код операции					Операция
	A1	А2	А3	А4	B1	B2	B3	B4	Р0	F1	F2	F3	F4	Р	S0	S1	S2	S3	S4
1	0	1	0	1	1	1	1	1	0	0	1	0	1	0
2	1	1	0	1	0	1	1	1	0	0	1	0	1	0	1	1	1	0	1	F=A• В
3	0	0	1	0	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0
4	0	1	1	0	1	0	0	0	1	1	1	1	0	0
5	1	0	1	0	0	1	1	1	0	1	1	0	0	0	1	0	0	0	0	F=vB+P0
6	1	1	1	0	1	0	0	1	0	0	0	0	0	1
7
8
9