Классификация алу по способу представления чисел

Назначение, классификация и организация АЛУ

Назначение, классификация и организация АЛУ.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является одной из основных функциональных частей процессора, осуществляющей непосредственное преобразование информации.

Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:

— операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной запятой;

— операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей запятой;

— операции десятичной арифметики (над числами, представленными в двоично-десятичном коде);

— операции адресной арифметики (при модификации адресов команд);

— операции специальной арифметики;

Рекомендуемые файлы

— операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные универсальные ЭВМ обычно реализуют операции всех приведенных выше групп, а специализированные ЭВМ часто не имеют аппа­ратуры для обработки чисел с плавающей запятой, десятичных чисел и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции вы­полняются специальными подпрограммами.

Основными являются арифметические и логические операции. К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычита­ние модулей («короткие операции»), умножение и деление («длинные опера­ции»). Группу 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). Обшир­на группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации.

Для выполнения перечисленных операций в АЛУ включаются следую­щие функциональные узлы:

— сумматор для выполнения суммирования и других действий над ко­дами операндов;

— регистры для хранения кодов операндов на время выполнения дейст­вий над ними;

— сдвигатели для сдвига кода на один или несколько разрядов вправо или влево;

— преобразователи для преобразования прямого кода числа в обратный или дополнительный код;

— комбинационные схемы для реализации логических операций, муль­типлексирования данных, управляемой передачи информации, формирования признаков результата и т.д.

Регистры и в некоторых случаях сумматоры имеют цепи управления приемом, выдачей и сбросом кодов операндов. Логические операции, опера­ции сдвига и преобразования кодов могут выполняться не только специаль­ными устройствами, но и с помощью дополнительных связей регистров и сумматора. В зависимости от типов используемых для суммирования базо­вых элементов различают комбинационные и накапливающие сумматоры.

По способу представления чисел различают АЛУ:

— для чисел с фиксированной запятой;

— для чисел с плавающей запятой;

— для десятичных чисел.

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В параллельных АЛУ операнды представляются параллель­ным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми раз­рядами операндов. В последовательных АЛУ операнды представляются в по­следовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. Такие АЛУ, как правило, используют конвейерный метод обработки, при котором совмещаются во времени фазы выпол­нения операции для различных разрядов операндов.

По выполняемым функциям АЛУ делятся на многофункциональные и функциональные (блочные). В блочном АЛУ операции над числами с фикси­рованной и плавающей запятой, десятичными и алфавитно-цифровыми по­лями, операции типа «умножение» выполняются в отдельных блоках. Такой подход позволяет увеличить скорость работы АЛУ за счет использования быстродействующих блоков, а также за счет организации параллельной рабо­ты этих блоков. Однако в этом случае значительно возрастают затраты обо­рудования.

В многофункциональных АЛУ всевозможные операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые ком­мутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

«4. Фазы жизненного цикла» — тут тоже много полезного для Вас.

По структурной организации АЛУ можно разделить на устройства, имеющие:

— регистровую структуру с непосредственными связями и закрепленной логикой;

— магистральную структуру с сосредоточенной памятью и логикой. Арифметико-логические устройства первого типа базируются на прин­ципе закрепления логических схем, используемых для выполнения микро­операций, за каждым из регистров. Так, на рис. 3.15 регистры Р1 и Р2 выпол­няют функции приема, хранения и выдачи операндов, поступающих из реги­стров общего назначения (РОН) процессора или КЭШ-памяти данных. С ре­гистром Р1 непосредственно связан преобразователь кода ПК1. Комбинаци­онный сумматор КСМ объединен с регистром РЗ по схеме накапливающего сумматора, с которым непосредственно связаны ПК2 и комбинационная схе­ма КС для мультиплексирования входных данных. На регистре РЗ выполня­ются микрооперации сдвига вправо или влево и сброс. Регистр Р4 выполняет микрооперации сдвига и непосредственно связан с преобразователем кода ПКЗ.

Таким образом, в данной структуре функции хранения и преобразования информации выполняются одним и тем же операционным блоком.

Магистральная структура АЛУ отличается тем, что в ней регистры и схемы для преобразования информации выделены в отдельные блоки, свя­занные между собой по входам и выходам. В этом случае блок регистров (БР) выполняет функции приема, хранения, выдачи операндов и результатов, а операционный блок (ОБ) выполняет весь необходимый набор микроопераций над словами, хранимыми в БР. В данной структуре блок регистров может быть реализован двумя способами: либо как совокупность отдельных регист­ров с индивидуальными схемами управления, либо как сверхоперативное ад­ресное запоминающее устройство.

Источник

Что такое арифметико-логическое устройство (АЛУ)

Что такое АЛУ? Арифметико-логическое устройство, одна из составляющих процессора. В статье мы приглашаем вас узнать принципы его действия, историю создания, основные характеристики, выполняемые операции, существующие классификации АЛУ.

Определение понятия

Арифметико-логическое устройство — один из блоков процессора, управляемый УУ (устройством управления). Его предназначение: выполнение логических и арифметических преобразований над данными-операндами (аргументами операции, информацией, обрабатываемой программой). Разрядность операндов в данном случае — размер или длина машинного слова.

Вам будет интересно: Эльбрус или Байкал: какой российский процессор лучше?

Современное многофункциональное АЛУ состоит сегодня из двух частей:

• Операционное устройство.
• Устройство управления. Проводит вторичную дешифрацию кодов команды, определяет операцию, выполняемую в арифметико-логическом устройстве.

Набор выполняемых операций

Важно знать, какие операции должно исполнять АЛУ для того, чтобы обладать функциональной полнотой. Как правило, хватает четырех:

• Обращение к памяти устройства для чтения или записи информации.
• Декремент/инкремент.
• Сравнение. Здесь реализуется возможность условного перехода.
• Остановка функционирования устройства.

Вам будет интересно: Интерфейс RS 485: описание

Если мы обратимся к первым арифметико-логическим устройствам, то увидим, что количество выполняемых ими операций ограничивалось 16-ю. Современные АЛУ способны выполнять сотни! Кстати, число операций и сегодня является важнейшей характеристикой данных устройств.

Классификация АЛУ

Мы помним, арифметико-логическое устройство — устройство управления и операционное. Но не все современные и исторические АЛУ одинаковы. Далее мы приведем самые распространенные их классификации.

По способу представления информации:

• С плавающей запятой.
• С фиксированной запятой.

По способу действий с операндами:

• Параллельные. В этом случае операции над всеми разрядами выполняются АЛУ одновременно.
• Последовательные. В данном случае операции будут выполняться по очереди, последовательно над каждым из разрядов.
• Параллельно-последовательные. Слово данных здесь делится на слоги. Обработка информации в таком АЛУ (арифметико-логическом устройстве) ведется параллельно над разрядами слога и последовательно над самими слогами.

По применению систем исчисления:

• Двоичные.
• Двоично-десятичные.
• Восьмеричные.
• Шестнадцатиричные и проч.

По особенностям использования узлов и элементов:

• Блочные. Для выполнения отдельных арифметических операций в систему арифметико-логического устройства процессора вводят специальные блоки. Последние позволяют вести параллельно процессы обработки информации.
• Конвейерные. Чем отличаются АЛУ такого типа? Любая операция будет разбиваться на последовательность из микроопераций. Они выполняются за определенные такты (равные временные промежутки) на разных ступенях такого конвейера. Операция над потоком операндов, таким образом, выполняется каждый такт.
• Многофункциональные. Это универсальные АЛУ, которые способны исполнить множество операций в одном устройстве. Однако здесь требуется настройка на выполнение конкретной операции с помощью ее кода.

Вам будет интересно: GeForce GT 720M: обзор, характеристики и отзывы

По временным характеристикам:

• Синхронные. В таких арифметико-логических устройствах компьютера каждая операция станет выполняться за один такт.
• Асинхронные. Соответственно, нетактируемые АЛУ. Обеспечивают высокую степень быстродействия, так как выполняются на комбинационных схемах.

По характеристике устройства управления:

• Имеющие микропрограммное управление.
• С жесткой логикой УУ.

Основные функции

Арифметико-логическое устройство является составной частью процессора компьютера. АЛУ будет выполнять следующие функции:

• Двоичной арифметики для информации в форматах с фиксированной точкой.
• Двоичной арифметики для информации в форматах с плавающей точкой.
• Арифметики двоично-десятичного представления сведений.
• Логические операции (арифметические и логические сдвиги).
• Пересылка информации.
• Работа с символьными данными.
• Работа с графической информацией.

Главные количественные характеристики

Составные части арифметико-логического устройства (ОУ и УУ) определяют количественные характеристики всей системы АЛУ. В частности, это следующее:

• Время выполнения одной операции.
• Скорость выполнения операций вообще.
• Число исполняемых операций.
• Точность предоставленной информации.

Главные качественные характеристики

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является составной частью процессора. Это определяет его важнейшие качественные характеристики:

• Структурные особенности системы АЛУ.
• Методики кодирования данных.
• Форматы представления информации — с плавающей или фиксированной точкой.

История возникновения

Создателем арифметико-логических устройств считается Джон фон Нейман, разработчик компьютеров ЭНИАК (электронных числовых вычислителей).

Уже в 1945 году им были опубликованы первые научные работы по своему стартовому изобретению — компьютеру EDVAC. В следующем году он уже работал вместе со своими коллегами над созданием такого устройства в Принстонском институте перспективных исследований.

Архитектура этого изобретения («архитектура фон Неймана») в дальнейшем стала базой, прототипом архитектур и большей части последующих компьютеров. В своих работах ученый указывал на наличие устройств, которые, по его мнению, являются обязательными для каждого компьютера. Среди них было упомянуто АЛУ. Фон Нейман считал, что арифметико-логическое устройство необходимо, потому что позволяет выполнять системе математические базовые операции. Как то: сложение и вычитание, умножение и деление.

Внутреннее устройство АЛУ

Мы уже разобрали, что условно АЛУ можно разделить на две части:

• УУ (микропрограммное устройство). Задает последовательность команд и микрокоманд.
• ОУ. Здесь реализуется ранее заданная последовательность команд и микрокоманд. Операционные устройства, в свою очередь, разделяются по типу обрабатываемой информации, по способу обработки данных, логической структуре.

При этом условно состав АЛУ также подвергается следующей градации:

• Регистры. Служат для обработки данных, поступающих как из пассивной, так и из оперативной памяти.
• Логические команды. Служат для обработки слов по микрокомандам. Последние, естественно, будут поступать из УУ — устройства управления.

Сами микрокоманды делятся на две категории:

• Поступают от внешнего источника в АЛУ. Вызывают в арифметико-логическом устройстве преобразование информации.
• Генерируются в самом АЛУ. Оказывают свое влияние на микропрограммное устройство. Тем самым изменяют нормальный, стандартный порядок следования команд.

Функции регистров АЛУ

Чтобы иметь представление о работе АЛУ, нам нужно поближе познакомиться с функциями его регистров:

• Pr1. Это аккумулятор или аккумуляторы. Считается главным регистром устройства, в котором и образуется результат произведенных вычислений.
• Pr2, Pr3. Регистры операндов в зависимости от характера исполняемой операции — слагаемого, делителя, сомножителя и проч.
• Pr4. Это адресный регистр. Он запоминает (в иных случаях формирует) адреса операндов результата.
• Pr6. Некое количество индексных регистров. Их содержимое будет использоваться для формирования адресов.
• Pr7. Вспомогательные регистры. По желанию разработчика могут стать аккумуляторами, индексными или вовсе использоваться для сохранения промежуточных результатов вычисления.

Теперь предлагаем вам обратиться к конкретным алгоритмам работы АЛУ.

Операция сложения

Функционально арифметико-логическое устройство будет состоять из Регистра 1, Регистра 2, сумматора и схемы управления.

Теперь распишем арифметическую операцию по тактам:

Значение операнда № 1, участвующего в операции сложения, поступает в Регистр 1 по кодовой шине.

Значение операнда № 2, участвующего в операции сложения, поступает в Регистр 2 по кодовой шине.

Соответственно, по кодовой шине инструкций в схему управления поступает инструкция по выполнению данной операции.

Данные из регистров уходят в сумматор. Далее схема управления уже дает команду на выполнение сложения.

Результат по произведенной операции уходит в Регистр 1.

Результат операции арифметико-логического устройства далее поступает в результирующий блок.

Операция вычитания

Давайте рассмотрим выполнение еще одной простой арифметической операции:

Значение операнда № 1, принимающего участие в операции вычитания, проходит в Регистр 1 по кодовой шине.

Значение операнда № 2, принимающего участие в операции вычитания, проходит в Регистр 2 по кодовой шине.

Инструкция по выполнению данного алгоритма выводится по кодовой шине инструкций к схеме управления.

Происходит переформирование положительного числа в отрицательное схемой управления.

Результат такого преобразования операнда идет далее в сумматор.

Сумматор выполняет сложение данных чисел.

Результат операции поступает в Регистр 1.

Результат операции вычитания отправляется в результирующий блок.

Операции в устройстве

И еще одна тема напоследок. Мы должны помнить, что все операции,выполняемые в АЛУ, — логические. Их можно разделить на следующие категории:

• Индексной арифметики.
• Десятичной арифметики.
• Специальной арифметики.
• Двоичной арифметики для значений с фиксированной точкой.
• Двоичной, шестнадцатеричной арифметики для значений с плавающей точкой.
• Над алфавитно-цифровыми полями.
• Над логическими кодами.

Арифметико-логическое устройство — основная часть процессора любого компьютера. Было разработано еще в середине прошлого века прославленным фон Нейманом. Призвано исполнять простые арифметические и логические операции в компьютере. Сегодня существует большое количество разновидностей АЛУ, что видно из множества представленных классификаций данных устройств.

Источник