Для установки нажмите кнопочку Установить расширение. И это всё.

Исходный код расширения WIKI 2 регулярно проверяется специалистами Mozilla Foundation, Google и Apple. Вы также можете это сделать в любой момент.

4,5
Келли Слэйтон
Мои поздравления с отличным проектом... что за великолепная идея!
Александр Григорьевский
Я использую WIKI 2 каждый день
и почти забыл как выглядит оригинальная Википедия.
Что мы делаем. Каждая страница проходит через несколько сотен совершенствующих техник. Совершенно та же Википедия. Только лучше.
.
Лео
Ньютон
Яркие
Мягкие

Арифметико-логическое устройство

Из Википедии — свободной энциклопедии

Комбинационная логическая схема 4-битного АЛУ, реализованная в 24-выводной микросхеме ТТЛ, модель 74181, впервые разработанная и ранее изготавливаемая фирмой Texas Instruments. Выполняет сложение, вычитание, все элементарные логические функции и битовые сдвиги над двумя 4-битовыми операндами. Не содержит в своем составе регистров
Комбинационная логическая схема 4-битного АЛУ, реализованная в 24-выводной микросхеме ТТЛ, модель 74181, впервые разработанная и ранее изготавливаемая фирмой Texas Instruments. Выполняет сложение, вычитание, все элементарные логические функции и битовые сдвиги над двумя 4-битовыми операндами. Не содержит в своем составе регистров

Арифме́тико-логи́ческое устро́йство (АЛУ; англ. arithmetic logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером или длиной машинного слова.

Концепция арифметико-логического устройства предложена в 1945 году Джоном фон Нейманом в публикации по EDVAC; она стала одной из составляющих ставшей классической фон-неймановской компьютерной архитектуры.

Организация и принципы действия

Обобщённая блок-схема арифметико-логического устройства (АЛУ). Стрелками указаны входные и выходные слова. Флаги — признаки (например, результата сравнения операндов) выполнения предыдущей операции (вход) и результата выполнения текущей операции (выход). В одноместных операциях таких, например, как инверсия битов слова или битовый сдвиг второй операнд (B) не участвует в операции. Слово команды указывает необходимую операцию.
Обобщённая блок-схема арифметико-логического устройства (АЛУ). Стрелками указаны входные и выходные слова. Флаги — признаки (например, результата сравнения операндов) выполнения предыдущей операции (вход) и результата выполнения текущей операции (выход). В одноместных операциях таких, например, как инверсия битов слова или битовый сдвиг второй операнд (B) не участвует в операции. Слово команды указывает необходимую операцию.

Одноразрядное двоичное бинарное (двухоперандное) АЛУ с бинарным (двухразрядным) выходом может выполнять до двоичных бинарных (двухоперандных) функций (операций) с бинарным (двухразрядным) выходом.

Арифметико-логическое устройство в зависимости от выполнения функций можно разделить на две части:

  • микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);
  • операционное устройство, в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

В состав арифметико-логического устройства, условно включается регистры Рг1 — Рг7, которые служат для обработки информации, поступающей из оперативной или пассивной памяти N1, N2, … NS и логические схемы, которые используются для обработки слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.

Различают два вида микрокоманд: внешние — такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нём преобразование информации и внутренние — те, которые генерируются в АЛУ и оказывают влияние на микропрограммное устройство, изменяя таким образом нормальный порядок следования команд.

Типовые функции регистров, входящих в арифметико-логическое устройство:

  • Рг1 — аккумулятор (или аккумуляторы) — главный регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений;
  • Рг2, Рг3 — регистры операндов (слагаемого, сомножителя, делителя, делимого и других) в зависимости от выполняемой операции;
  • Рг4 — регистр адреса (или адресные регистры), предназначенные для запоминания (бывает, что формирования) адреса операндов результата;
  • Рг6 — k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов;
  • Рг7 — l вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Часть операционных регистров могут быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым, и их называют программно-доступными. К таким регистрам относятся: сумматор, индексные регистры и некоторые вспомогательные регистры. Остальные регистры нельзя адресовать в программе, то есть они являются программно-недоступными.

Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу её обработки и по логической структуре.

Такая сложная логическая структура АЛУ может характеризоваться количеством отличающихся друг от друга микроопераций, которые необходимы для выполнения всего комплекса задач, поставленных перед арифметико-логическим устройством. На входе каждого регистра собраны соответствующие логические схемы, обеспечивающие такие связи между регистрами, что позволяет реализовать заданные микрооперации. Выполнение операций над словами сводится к выполнению определённых микроопераций, которые управляют передачей слов в АЛУ и действиями по преобразованию слов. Порядок выполнения микрокоманд определяется алгоритмом выполнения операций. То есть, связи между регистрами АЛУ и их функциями зависят в основном от принятой методики выполнения логических операций, в том числе арифметических или специальной арифметики.

Пример работы АЛУ на операции сложения

Функциональная схема АЛУ
Функциональная схема АЛУ

Функционально АЛУ состоит из двух регистров (Регистр1, Регистр 2), схемы управления и сумматора[1]. Арифметическая операция выполняется по тактам:

  • значения операнда 1, участвующего в арифметической операции по шине данных поступает в Регистр 1 или уже там находится;
  • значения операнда 2, участвующего в арифметической операции по шине данных поступает в Регистр 2 или уже там находится;
  • по шине инструкций поступает инструкция на выполнение операции в схему управления;
  • данные из регистров поступают в сумматор, схема управления дает команду на выполнение сложения;
  • результат сложения поступает в Регистр 1;
  • признаки выполнения операции в АЛУ поступают в регистр флагов.

Пример работы АЛУ на операции вычитания:

  • значение операнда 1, участвующего в арифметической операции по кодовой шине данных поступает в Регистр 1;
  • значение операнда 2, участвующего в арифметической операции по кодовой шине данных поступает в Регистр 2;
  • по кодовой шине инструкций, поступает инструкция на выполнение операции вычитания в схему управления;
  • схема управления преобразовывает положительное число в отрицательное (в формате дополнительного кода до двух);
  • результат преобразования операнда поступает в сумматор;
  • сумматор складывает два числа;
  • результат сложения поступает в Регистр 1;
  • результат операции АЛУ поступает в результирующий блок.

Операции

Все выполняемые в арифметико-логическом устройстве операции являются логическими операциями (функциями), которые можно разделить на следующие группы:

  • операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;
  • операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;
  • операции десятичной арифметики;
  • операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);
  • операции специальной арифметики;
  • операции над логическими кодами (логические операции);
  • операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные компьютеры общего назначения обычно реализуют операции всех приведённых выше групп, а малые и микроЭВМ, 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»). Группу 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 остаётся на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации. Каждая операция в АЛУ является логической функцией или последовательностью логических функций описываемых двоичной логикой для двоичных ЭВМ, троичной логикой для троичных ЭВМ, четверичной логикой для четверичных ЭВМ, десятичной логикой для десятичных ЭВМ и так далее.

Классификация

По способу действия над операндами арифметико-логические устройства делятся на последовательные и параллельные. В последовательных устройствах операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами; в параллельных — параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

По способу представления чисел различают арифметико-логические устройства:

По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном устройстве операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

По своим функциям арифметико-логическое устройство является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие приём из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства. Арифметико-логическое устройство управляется управляющим блоком, генерирующим управляющие сигналы, инициирующие выполнение в АЛУ определённых микроопераций. Генерируемая управляющим блоком последовательность сигналов определяется кодом операции команды и оповещающими сигналами.

Примечания

  1. Макаровой Н. В. Информатика: Учебник. — М.: Финансы и статистика, 2006. — 768 с. — ISBN 978-5-279-02202-1.

Литература

  • Каган Б. М. Электронные вычислительные машины и системы. — 3-е изд., перераб. и доп. — Энергоатомиздат, 1991. — ISBN 5-283-01531-9.
  • Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. Учеб. пособие для вузов. Изд. 2. — БХВ-Петербург, 2004.
  • Самофалов К. Г., Романкевич А. М., Валуйский В. Н., Каневский Ю. С., Пиневич М. М. Прикладная теория цифровых автоматов. — К.: Вища школа, 1987. — С. 375.
  • Ершов А. П., Монахов В. М., Бешенков С. А. и др. 1 // Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. пособие для сред. учеб. заведений. В 2 ч. — М.: Просвещение, 1985. — С. 96.
  • Ершов А. П., Монахов В. М., Кузнецов А. А. и др. 2 // Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. пособие для сред. учеб. заведений. В 2 ч. — М.: Просвещение, 1986. — С. 143.
  • IX Арифметико-логическое устройство (недоступная ссылка). Логические основы ЭВМ. Пособие к курсам «Радиоэлектроника» и «Микропроцессорные средства». Республика Карелия, г. Петрозаводск, ПетрГУ. Кафедра информационно-измерительных систем и физической электроники. Дата обращения: 18 сентября 2010. Архивировано 3 июня 2004 года.
  • Исследование эффективности ALU и FPU процессоров разных поколений от TestLabs.kz
Эта страница в последний раз была отредактирована 30 июня 2021 в 06:39.
Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.
Основа этой страницы находится в Википедии. Текст доступен по лицензии CC BY-SA 3.0 Unported License. Нетекстовые медиаданные доступны под собственными лицензиями. Wikipedia® — зарегистрированный товарный знак организации Wikimedia Foundation, Inc. WIKI 2 является независимой компанией и не аффилирована с Фондом Викимедиа (Wikimedia Foundation).