Арифметико-логическое устройство: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
[отпатрулированная версия][отпатрулированная версия]
Содержимое удалено Содержимое добавлено
уточнение, оформление
м орфография, пунктуация, оформление
Строка 1: Строка 1:
[[Файл:74181aluschematic.png|thumb|400px|Комбинационная логическая схема 4-битного АЛУ, реализованная в 24-х выводной [[Микросхема|микросхеме]] [[ТТЛ]], модель 74181, впервые разработанная и ранее изготавливаемая фирмой [[Texas Instruments]]. Выполняет сложение, вычитание, все элементарные [[Булева функция|логические функции]] и битовые сдвиги над двумя 4-х битовыми операндами. Не содержит в своем составе регистров.]]
[[Файл:74181aluschematic.png|thumb|400px|Комбинационная логическая схема 4-битного АЛУ, реализованная в 24-выводной [[Микросхема|микросхеме]] [[ТТЛ]], модель 74181, впервые разработанная и ранее изготавливаемая фирмой [[Texas Instruments]]. Выполняет сложение, вычитание, все элементарные [[Булева функция|логические функции]] и битовые сдвиги над двумя 4-битовыми операндами. Не содержит в своем составе регистров]]
'''Арифме́тико-логи́ческое устро́йство''' (АЛУ) ({{lang-en|arithmetic and logic unit, ALU}}) — блок [[центральный процессор|процессора]], который под управлением [[Устройство управления|устройства управления]] (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от [[Элементарная операция|элементарных]]) над данными, называемыми в этом случае [[операнд]]ами. Разрядность операндов обычно называют размером или длиной [[Машинное слово|машинного слова]].
'''Арифме́тико-логи́ческое устро́йство''' (АЛУ) ({{lang-en|arithmetic and logic unit, ALU}}) — блок [[центральный процессор|процессора]], который под управлением [[Устройство управления|устройства управления]] (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от [[Элементарная операция|элементарных]]) над данными, называемыми в этом случае [[операнд]]ами. Разрядность операндов обычно называют размером или длиной [[Машинное слово|машинного слова]].


Строка 35: Строка 35:
=== Пример работы АЛУ на операции сложения ===
=== Пример работы АЛУ на операции сложения ===
[[Файл:Функциональная схема АЛУ.png|мини|Функциональная схема АЛУ|400x400пкс]]
[[Файл:Функциональная схема АЛУ.png|мини|Функциональная схема АЛУ|400x400пкс]]
Функционально АЛУ состоит из двух регистров (Регистр1, Регистр 2), схемы управления и сумматора<ref>{{Книга|автор=Макаровой Н. В.|заглавие=Информатика: Учебник|ответственный=|издание=|место=М.|издательство=Финансы и статистика|год=2006|страницы=|страниц=768|isbn=|isbn2=}} ISBN-978-5-279-02202-1</ref>. Арифметическая операция выполняется по тактам:
Функционально АЛУ состоит из двух регистров (Регистр1, Регистр 2), схемы управления и сумматора<ref>{{Книга|автор=Макаровой Н. В. |заглавие=Информатика: Учебник |ответственный= |издание= |место=М. |издательство=Финансы и статистика |год=2006 |страницы= |страниц=768 |isbn=978-5-279-02202-1}}</ref>. 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 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.
* Значения операнда 2, участвующего в арифметической операции по шине данных поступает в Регистр 2 или уже там находится.
Строка 124: Строка 124:
* {{книга
* {{книга
| автор = Ершов А. П., Монахов В. М., Бешенков С. А. и др.
| автор = Ершов А. П., Монахов В. М., Бешенков С. А. и др.
| часть = Ч.1
| часть = 1
| заглавие = Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. пособие для сред. учеб. заведений. В 2 ч
| заглавие = Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. пособие для сред. учеб. заведений. В 2 ч
| оригинал =
| оригинал =
| ссылка =
| ссылка =
Строка 135: Строка 135:
* {{книга
* {{книга
| автор = Ершов А. П., Монахов В. М., Кузнецов А. А. и др.
| автор = Ершов А. П., Монахов В. М., Кузнецов А. А. и др.
| часть = Ч.2
| часть = 2
| заглавие = Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. пособие для сред. учеб. заведений. В 2 ч
| заглавие = Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. пособие для сред. учеб. заведений. В 2 ч
| оригинал =
| оригинал =
| ссылка =
| ссылка =
Строка 146: Строка 146:


== Ссылки ==
== Ссылки ==
* {{cite web| last =| first =| authorlink =Дулепова Ю. А.,Ершова Н. Ю., Приходченко Р. В.| coautors =| datepublished =| url =http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/log_basis/alu.html| title =IX Арифметико-логическое устройство| format =| work =Логические основы ЭВМ. Пособие к курсам "Радиоэлектроника" и "Микропроцессорные средства"| publisher =Республика Карелия, г. Петрозаводск, ПетрГУ. [http://dfe.karelia.ru/index.php Кафедра информационно-измерительных систем и физической электроники]| accessdate =2010-09-18| lang =ru| deadlink =404| archiveurl =https://web.archive.org/web/20040603145524/http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/log_basis/alu.html| archivedate =2004-06-03}}
* {{cite web| last =| first =| authorlink =Дулепова Ю. А.,Ершова Н. Ю., Приходченко Р. В.| coautors =| datepublished =| url =http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/log_basis/alu.html| title =IX Арифметико-логическое устройство| format =| work =Логические основы ЭВМ. Пособие к курсам «Радиоэлектроника» и «Микропроцессорные средства»| publisher =Республика Карелия, г. Петрозаводск, ПетрГУ. [http://dfe.karelia.ru/index.php Кафедра информационно-измерительных систем и физической электроники]| accessdate =2010-09-18| lang =ru| deadlink =404| archiveurl =https://web.archive.org/web/20040603145524/http://dfe3300.karelia.ru/koi/posob/log_basis/alu.html| archivedate =2004-06-03}}
* [https://web.archive.org/web/20121011013238/http://testlabs.kz/processors/25-golaya-proizvoditelnost-issleduem-effektivnost-alu-i-fpu.html Исследование эффективности ALU и FPU процессоров разных поколений] от TestLabs.kz
* [https://web.archive.org/web/20121011013238/http://testlabs.kz/processors/25-golaya-proizvoditelnost-issleduem-effektivnost-alu-i-fpu.html Исследование эффективности ALU и FPU процессоров разных поколений] от TestLabs.kz



Версия от 06:40, 15 января 2019

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 and logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) 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.

История

Разработчик компьютера ENIAC, Джон фон Нейман, был первым создателем АЛУ. В 1945 году он опубликовал первые научные работы по новому компьютеру, названному англ. Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC). Годом позже он работал со своими коллегами над разработкой компьютера в Принстонском институте перспективных исследований (IAS). Архитектура этого компьютера позже стала прототипом архитектур большинства последующих компьютеров. В своих работах фон Нейман указывал устройства, которые, как он считал, должны присутствовать в компьютерах. Среди этих устройств присутствовало и АЛУ. Фон Нейман отмечал, что АЛУ необходимо для компьютера, поскольку оно гарантирует, что компьютер будет способен выполнять базовые математические операции, включая сложение, вычитание, умножение и деление.

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.
  • 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:

  1. микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);
  2. 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.

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 др.) 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

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

  • Значения операнда 1, участвующего в арифметической операции по кодовой шине данных поступает в Регистр 1
  • Значения 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 в АЛУ

Все выполняемые в АЛУ 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 ЭВМ 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 т. д.

Классификация АЛУ

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

По способу представления чисел различают АЛУ:

  1. для чисел с фиксированной точкой;
  2. для чисел с плавающей точкой;
  3. для десятичных чисел.

По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ 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 АЛУ 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.

См. также

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.

Ссылки