Алу это в информатике: Арифметико-логическое устройство (алу). — Информатика, информационные технологии

Арифметико-логическое устройство (алу). — Информатика, информационные технологии

Часть процессора, которая производит выполнение операций, предусмотренных данным компьютером.

Архитектура фон Неймана.

Архитектура компьютера, имеющего одно арифметико-логическое устройство, через которое проходит поток данных, и одно устройство управления, через которое проходит поток команд. См. также “Принципы фон-Неймана”.

Архитектура компьютера.

Логическая организация, структура и ресурсы компьютера, которые может использовать программист. Определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера.

Ассемблер.

См. Язык ассемблера.

ASCII.

Читается аски. Американский стандартный код обмена информацией. Широко используется для кодирования в виде байта букв, цифр, знаков операций и других компьютерных символов.

Аудиоадаптер (Sound Blaster, звуковая плата).

Специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.

База данных.

Один или несколько файлов данных, предназначенных для хранения, изменения и обработки больших объемов взаимосвязанной информации.

Байт.

Группа из восьми битов, рассматриваемая при хранении данных как единое целое.

Библиотека стандартных подпрограмм.

Совокупность подпрограмм, составленных на одном из языков программирования и удовлетворяющих единым требованиям к структуре, организации их входов и выходов, описаниям подпрограмм.

Бит.

Наименьшая единица информации в цифровом компьютере, принимающая значения 0 или 1.

Ввод.

Считывание информации с внешнего устройства в память компьютера.

Вентиль.

См. Логический элемент.

Вещественное число.

В информатике — тип данных, содержащий числа, записанные с десятичной точкой и (или) с десятичным порядком.

Видеоадаптер.

Электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода-вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развёртки изображения.

Винчестер.

См. Накопитель на жёстких магнитных дисках.

Вирус компьютерный.

Специально написанная небольшая программа, которая может приписывать себя к другим программам для выполнения каких-либо вредных действий — портит файлы, засоряет оперативную память.

Внешняя память.

Совокупность запоминающих устройств для длительного хранения данных. В состав внешней памяти входят накопители на гибких и жестких магнитных дисках, оптические и магнито-оптические накопители, накопители на магнитной ленте. Во внешней памяти обычно хранятся архивы программ и данных. Информация, размещенная на внешних носителях, не зависит от того, включен или выключен компьютер.

Второе поколение компьютерной техники.

Машины, созданные в 1955—65 гг. Элементная база — дискретные транзисторные логические элементы. Оперативная память на магнитных сердечниках. Высокопроизводительные устройства работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и диски. Быстродействие — до сотен тысяч операций в секунду, ёмкость памяти — до нескольких десятков тысяч слов. Языки высокого уровня, широкий набор библиотечных программ, мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ.

Вывод.

Результаты работы программы, выдаваемые компьютером пользователю, другому компьютеру или во внешнюю память.

Выpажение.

В языке программирования — запись правила для вычисления некоторого значения. Строится из констант, пеpеменных и указателей функций, объединенных знаками опеpаций.

Гибкий (флоппи) диск.

Круглая пластиковая пластина, покрытая с обеих строн магнитным окислом и помещенная в защитную оболочку. Используется как носитель небольших объемов информации.

Глобальная сеть (ГВС).

См. Сеть компьютерная.

Графический редактор.

Программа или комплекс программ, позволяющих создавать и редактировать изображения на экране компьютера: рисовать линии, раскрашивать области экрана, создавать надписи различными шрифтами, обрабатывать изображения, полученные с помощью сканеров. Некоторые редакторы обеспечивают возможность получения изображений трёхмерных объектов, их сечений и разворотов.

Графопостроитель.

Устройство для вывода из компьютера информации в виде графиков и чертежей на неподвижную или вращающуюся на барабане бумагу.

Джойстик.

Стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану дисплея. Часто применяется в компьютерных играх.

Диск.

Круглая металлическая или пластмассовая пластина, покрытая магнитным материалом, на которую информация наносится в виде концентрических дорожек, разделённых на секторы.

Дисковод.

Устройство, управляющее вращением магнитного диска, чтением и записью данных на нём.

Дисплей.

Устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблицы, рисунка, чертежа и др.) на экране электронно-лучевого прибора.

Драйверы.

Программы, расширяющие возможности операционной системы по управлению устройствами ввода-вывода, оперативной памятью и т.{8}=256} dvuhetapnyh бинарные двоичные функции двоичных операций с двойным выходом.

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

• Работа устройства, реализующего заданную последовательность микрокоманд команд.
• Микропрограммное устройство управления, задающее последовательность микрокоманд команды.

В состав арифметико-логических устройств, регистры условно включены РГ1 — Рг7, которые используются для обработки информации, поступающей из оперативной или пассивной памяти N1, N2. NS и логические схемы, которые используются для обработки слов по микрокоманд, поступающих от блока управления.

Различают два вида микрокоманд: внешние — следующий макрос, которые поступают в АЛУ от внешних источников и называем его преобразования информации и внутренние — те, которые генерируются в АЛУ и оказывают влияние на прошивки устройства, изменяя таким образом нормальный порядок выполнения команд.

Функции регистров, входящих в арифметико-логическое устройство

• РГ2,РГ3 (WG2,WG3) — регистры операндов срок / фактор / разделитель / дивиденды и другие в зависимости от выполняемой операции.
• Рг6 (Sgt 6) — k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов.
• RG4 — регистр адреса и регистр адреса предназначен для помнить, что формирование адреса операнда результата.
• Рг7 — l вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.
• РГ1 (WG1) — аккумулятор или батарейки — основной регистр АЛУ, который приводит к результату расчета.

Часть операционных регистров могут быть адресованы в команде для выполнения операций с их содержимым, и называть их программно доступен. Такие регистры: аккумулятор, индексные регистры и некоторые вспомогательные регистры. другие регистры не могут быть решены в рамках программы, то есть они являются программное обеспечение и не доступен.

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

Такая сложная логическая структура АЛУ может иметь несколько отличающиеся от других микроопераций, необходимых для выполнения всего комплекса задач арифметико-логическое устройство. на входе каждого регистра собраны соответствующие логические схемы, что обеспечивает такие связи между регистрами, разрешая данный микро-операции. слова сводится к выполнению определенных микроопераций, которые управляют передачей слов в АЛУ и действиями по преобразованию слов. Порядок выполнения микрокоманд определяется выполнение операции. то есть связи между АЛУ регистры и их функции в значительной мере зависят от методологии логических операций, в том числе специальной арифметики или арифметика.

Изучение принципов организации арифметико-логическиз устройств. Структура алу для умнлжения чисел с фиксированной запятой реферат по информатике

Ц е л ь р а б о т ы: Изучение принципов построения и функционирования АЛУ для умножения чисел с фиксированной запятой. В в е д е н и е В ЭВМ операция умножения чисел с фиксированной запятой с помощью соответствующих алгоритмов сводится к операциям сложения и сдвига. Для выпонения умножения АЛУ должно содержать регистры множимого, множителя и схемы формирования суммы частичных произ- ведений — так называемый сумматор частичных произведений, в ко- тором путем соответствующей организации передач производится по- седовательное суммирование частичных произведений. Операция умножения состоит из n-1 [(n-1) — число цифровых разрядов множителя] циклов. В каждом цикле анализируется очеред- ная цифра множителя и если это «1», то к сумме частичных произ- ведений прибавляется множимое, в противном сучае прибавления не происходит. Цикл завершается сдвигом множимого относительно сум- мы частичных произведений ,либо сдвигом суммы частичных произве- дений относительно неподвижного множимого. В зависимости от способа формирования суммы частичных про- изведений различают четыре основных метода выполнения умножения с соответствующими структурами АЛУ. 1.Умножение, начиная с младших разрядов множителя, со сдвигом суммы частичных произведений вправо при неподвижном мно- жимом. 2.Умножение, начиная с младших разрядов множителя, при сдвиге множимого влево и неподвижной сумме частичных произведе- ний. 3.Умножение, начиная со старших разрядов множителя, при сдвиге суммы частичных произведений влево и неподвижном множи- мом. 4.Умноженине, начиная со старших разрядов множителя, при сдвиге вправо множимого и неподвижной сумме частичных произведе- ний. В лабораторной работе изучается наиболее распространенный метод умножения целых чисел, начиная с младших разрядов, со сдвигом суммы частичных произведений вправо. (рис.2) А л г о р и т м умножения чисел, представленных в прямом коде, начиная с младших разрядов, со сдвигом суммы частичных произведений вправо. 1.Берутся модули от сомножителей. 2.Исходное значение суммы частичных произведений принимает- ся равным 0. 3.Если анализируемая цифра множителя равна 1, то к сумме частичных произведений прибавляется множимое; если эта циф- ра равна 0, прибавление не производится. 4.Производится сдвиг суммы частичных произведений вправо на один разряд. 5.Пункты 3 и 4 последовательно выполняются для всех цифро- вых разрядов множителя, начиная с младшего. 6.Произведению присваивается знак плюс, если знаки сомножи- телей одинаковы, в противном случае — знак минус. Особенностью умножения целых чисел является то, что резуль- тат перемножения двух n-разрядных слов представляется словом двойной длины, при этом число цифровых разрядов двойного слова 2n-1 на единицу больше числа 2n-2 цифровых разрядов, произведе- ния двух n-1 разрядных чисел. В связи с этим после получения ре- зультата в формате двойного слова необходимо дополнительно сдви- нуть его цифровые разряды на один разряд вправо, чтобы правильно расположить произведение в разрядной сетке. В структуру АЛУ для умножения n-разрядных целых чисел вхо- дят (рис.2): входной регистр множимого Pr1, регистры множителя Pr2 и Pr2′,на которых с помощью косой передачи вправо Pr2′:=n(1)Pr2 и передачи Pr2:=Pr2′ выполняется сдвиг множителя вправо; сумматор Cm для преобразования суммы частичных произве- дений; входной и выходной регистры суммы частичных произведений; входной и выходной регистры сумматора PrA, PrB, PrCm соответс- твенно, в которых хранятся текущие значения и образуется новое значение суммы, счетчик циклов СчЦ. Работа АЛУ при умножении це- лых положительных чисел происходит следующим образом. Первона- чально на Pr1 поступает множимое, регистр PrB, хранящий сумму частичных произведений обнуляется. В счетчик циклов СчЦ заносит- ся число цифровых разрядов сомножителей. В регистр Pr2 записыва- ется множитель. На этом завершается процедура начальных устано- вок и начинается процесс вычислений. В зависимости от значения младшего разряда 0 или 1 множите- ля к частичному произведению прибавляется либо 0, либо множимое. В первом случае PrA:=0, во втором — PrA:=Pr1. В сумматоре полу- чаем сумму PrA и PrB . Содержимое Pr2 путем косой передачи впра- во в Pr2′ и затем обратно сдвигается на один разряд вправо. Циф- ра младшего разряда суммы частичных поизведений передается в старший разряд Pr2′. Производится сдвиг суммы частичных произведений вправо на один разряд: косая передача из сумматора в PrCm со сдвигом впра- во на один разряд, а затем передача PrB:=PrCm. Содержимое счет- чика тактов уменьшается на единицу. Если СчЦ <> 0, то все операции повторяются. Если СчЦ=0, то вычисления заканчиваются в регистре PrCm и Pr2′ будут хранться старшие и младшие разряды произведения. Знак произведения определяется суммированием по mod2 знако- вых разрядов сомножителей. В ы п о л н е н и е л а б о р а т о р н о й р а б о т ы Структура АЛУ для умножения чисел с фиксированной запятой и алгоритм его функционирования моделируется с помощью программы, реализованной на языке Турбо-Паскаль-7. Работа с программой осуществляется в интерактивном режиме. После запуска программы mult.exe на экране дисплея появляется инструкция для пользователя, согласно которой и выполняется ла- бораторная работа. Текст описания работы содержится в файле … Выполнение изучаемой операции АЛУ осуществляется по шагам и результат каждого шага отражается на экране в виде кодов содер- жимого соответсвующего регистров, промежуточных и конечных ре- зультатов. В процессе выполнения лабораторной работы необходимо зафиксировать по шагам состояние всех элементов АЛУ, индицируе- мые соответствующими кодами. Работу АЛУ необходимо изучить для различных значений опе- рандов. По результатам работы необходимо построить блок-схему мик- ропрограммы работы АЛУ. С о д е р ж а н и е о т ч е т а 1.Описание работы АЛУ. 2.Блок-схема микропрграммы выполнения операций умножения

Построение арифметико-логического устройства для выполнения операции умножения целых чисел контрольная 2010 по информатике

Построение арифметико-логического устройства для выполнения операции умножения целых чисел АЛУ — основной операционный блок микропроцессора и предназначен для
• Логическая схема Пр, формирующая признаки результатов выполнения операций. Каждый регистр оснащается схемами управления, которые позволяют подключить входные цепи к разрядам регистров для их установки, либо выходные цепи для считывания содержимого разрядов регистров (регистр сумматор). Информация из регистра 1 может передаваться в регистр А, либо с использованием прямых кодов, извлекаемых из основных выходов триггеров в составе регистров, либо с использованием инверсных кодов, извлекаемых из инверсных выходов соответствующих триггеров Входные операнды представляются позиционными входами: , где Xi – значение i -того разряда. — старший разряд двоичного поля, выделяемый для хранения знака. Для представления двоичных чисел может использоваться прямой код, обратный и дополнительный. Прямой код: Используя 4-х разрядное битовое поле, десятичное число 3 можно представить в следующем виде: 3пр = 0011 -3пр = 1011 Старший разряд определяет знак числа, а числовые разряды определяют значение числа. Для выполнения арифметических операций с операндами, представленными в виде двоичного поля, имеющими одинаковый код производится суммирование числовых разрядов операторов. Знак результата совпадает со знаком операнда. Если операнды имеют разные знаки, то необходимо определить вначале операнд с большими значениями, из которого вычесть числовые разряды операнда с меньшим значением. Знак результата совпадает со знаком операнда, большего по модулю. Как следует из описания операции с операндами, представленными в прямом коде, операция имеет достаточно высокую трудоемкость. Поэтому в целях экономии аппаратных и временных ресурсов для представления отрицательных операндов используют обратный или дополнительный коды. Обратный код для определения отрицательных чисел записывается как дополнение к числу, которое может размещаться в числовых разрядах соответствующего числа. Xобр X<0 Чтобы получить обратный код достаточно каждый разряд двоичного поля заменить инверсным значением: -3обр = 1100 Все неотрицательные числа представляются прямым кодом, а отрицательные — дополнительным или обратным. При использовании обратных кодов возникает одна неприятность, связанная с положительным и отрицательным нулем. Этого недостатка не имеют дополнительный код отрицательных чисел. Дополнительный код получается как дополнение до числа 2n Xдоп . Т.О. чтобы получить дополнительный код числа нужно инвертировать каждый разряд числа и добавить к результату единицу. Указанное свойство дополнительных кодов для представления отрицательных чисел позволяет заменить операцию вычитания операцией сложения, которую нам представляет сумматор. Для преобразования отрицательного числа в дополнительном коде в прямой код достаточно выполнить обратное действие, т.е. инвертировать каждый разряд числа (и знаковый) и добавить единицу к младшему разряду. При сложении положительных чисел, представленных прямым кодом и отрицательных чисел представленных обратным кодом, может выполняться круговой перенос. При этом если возникает перенос из знакового разряда, то он добавляется к младшему разряду числа. На практике используется прямой код для представления неотрицательных чисел, и дополнительный — для представления отрицательных. Это дает возможность получать результат в прямом коде, если он положительный, и в дополнительном, если он отрицательный. В результате операции могут возникнуть следующие ситуации: Перенос из знакового разряда при отсутствии переноса в знаковый разряд (эта ситуация соответствует отрицательному переполнению разрядной сетки) Наличие переноса в знаковый разряд при отсутствии при отсутствии переноса в знаковый разряд(положительный перенос). При отсутствии общих переносов, либо при их обоих наличий, результат размещается в разрядной сетке. Таким образом приведенная схема формирует в соответствии с алгоритмом: z=xy. Выполнение операции соответствует сложению операндов ч и н. Выполняется прием первого операнда в регистр В. Выполняется прием второго операнда в регистр А. которые обеспечивают формирование сигналов n1 и n2 поступающих на устройство управления. Операция умножения – последовательность операций сложения и сдвига. При этом результат операции при размерности операндов числовые разряды (n-1). Размерность результата (2n-1) – числовой разряд. Если операнды – двоичные слова, то результат тоже. Поскольку в распоряжении имеются аппаратные средства, в виде сумматоров и цепей сдвига по разрядной сетке, то операция умножения представляется как результат последовательного анализа цифр множителя и добавления к текущему значению суммы частичных произведений с первичным нулевым значением множимого, если анализируемая цифра множителя равна единице. После этого сумму частичных произведений или множимое следует сдвинуть по разрядной сетке для выполнения очередной итерации., по сути операция умножения – в трактуемом содержании соответствует умножению «в столбик». Варианты умножения. Все компоненты имеют одинаковую размерность, соответствующую слову, обрабатываемому в АЛУ. Регистр множителя должен иметь цепи сдвига вправо. Сумматор частичных произведений должен иметь также цепи сдвига вправо. Причём, младшие разряды соединяются со старшими разрядами регистра множителя. В результате производится анализ младшей цифры множителя после чего, если равны «1», то к текущему значению суммы частичных приведений (который первоначально равен «0») добавляется содержимое регистра множимого. Если, анализируемая цифра равна «0», то операция сложения не выполняется после этого содержимое регистра множителя сдвигается вправо на один разряд и в освободившийся старший разряд регистра множителя переносится младший разряд суммы частичных произведений, в результате сдвига её вправо по разрядной сетке. Далее продолжается с анализа разряда. В результате после окончания операции в регистре множителя: младший разряд результата, а в сумматоре – старшая часть разряда. В данном варианте используется двойная размерность сумматора частичных произведений и двойная размерность регистра множимого. Как и в 1-м варианте регистр множителя имеет цепи сдвига вправо по разрядной сетке, а регистр множимого – влево по разрядной сетке. Сумматор частичных произведений не оснащён цепями сдвига. Аналогично производится анализ младшего разряда множителя, и если он равен «1», то производится произведение текущей суммы и содержимого регистра множимого. После этого производится сдвиг вправо содержимого регистра множителя и сдвиг влево содержимого регистра множимого. Аналогично рассматриваются варианты со старшим разрядом. Сумматор частичных произведений имеет цепи сдвига влево и регистры Рг1 для приёма множимого; Рг2 для приёма множителя. Входной РгА сумматора для размещения в нём очередной добавляемой компоненты к сумме частичных произведений. Входной РгБ См используется для размещения текущего значения суммы частичных произведений. Рг2′ используется для формирования сдвига множителя вправо по разрядной сетке. Выходной РгСм, в котором формируются текущее значение суммы частичных произведений. Счётчик циклов используется для отображения количества обрабатываемых разрядов множителя. На 1-м этапе выполняется размещение множимого в Рг1. Множимое может передаваться в РгА в прямом или инверсном кодах. На 2-м этапе в Рг2 размещается множитель, поступающий по ШД. Обнуляется содержимое РгВ, используемое вы качестве начального значения суммы частичных произведений. Далее анализируется младшая цифра множителя в Рг2. Если она =1, то в РгА передаётся содержимое Рг1 и на выходе См формируется текущее значение суммы частичных произведений. Одновременно передают множитель для анализа очередной цифры. Для этого его содержимое передаётся в Рг2′ с сдвигом вправо на 1 по разрядной сетке. В свободный разряд Рг2′ помещается младший разряд со входа См. Остальные разряды См предаются в РгСм со сдвигом вправо на 1 разряд. После этого значение РгСм размещается в РгВ. Содержимое Рг2′ размещается в Рг2 и значение СчЦ уменьшается на 1 по отношению к первоначальному значению, равному количеству числовых разрядов. Процесс продолжается для следующей цифры множителя. Когда содержимое СчЦ становится =0, процесс анализа завершается с получением в РгСм старших разрядов и в Рг2 младших разрядов произведения. После этого выполняется ещё 1 цикл с 0 значением РгА для правилного размещения результата в разрядной сетке двойного слова. До сих пор мы полагали, что перемножаем целые неотрицательные числа. Для умножения чисел со знаками, можно отдельно умножать модули чисел, если они записаны в прямом коде, и затем формировать знак результата. Если отрицательные числа представлены в обратном или дополнительном коде, то для взятия модулей используется дополнительная операция, связанная с добавлением 1. Поэтому для умножения чисел со знаками используется практически тот же алгоритм с некоторыми модификациями. Алгоритм умножения целых чисел с использованием прямого кода для положительных чисел и дополнительного для отрицательных. 1.Фиксируется знак сомножителей в специальных триггерах. 2.Сумма частичных произведений полагается =0. 3.Анализируется младшая цифра множителя. Если она =1, то к сумме частичных произведений добавляется множимое в том коде, в котором оно представлено. Если она =0, то добавление не производится. 4.Выполняется сдвиг вправо суммы частичных произведений на 1 разряд, причём, если значение суммы ≥0, то производится обычный сдвиг. Если текущее значение суммы частичных произведений <0, то производится модифицированный сдвиг с занесением 1 в знаковый разряд. 5.Пункты 3 и 4 повторяются для всех числовых разрядов множителя. 6.Если множитель ≥0, то текущее значение суммы частичных произведений представляет собой результат в прямом коде для положительного значения и в дополнительном коде для отрицательного значения. Если множитель <0, то к текущему значению суммы частичных произведений необходимо добавить множимое с обратным знаком. 7.Размещение результатов в формате двойного слова путём сдвига суммы частичных произведений вправо на 1 разряд. Z = X * Y, Y > 0 Алгоритм тот же, за исключением модифицированного сдвига. При этом может возникнуть следующее: если младший разряд множителя =0, а множимое <0, то нет необходимости выполнять модифицированный сдвига (нельзя), поскольку сумма частичных произведений =0, а нуль в дополнительном коде знака не имеет. И лишь только с появлением отрицательного значения суммы частичных произведений сдвиг должен быть модифицированным. Y < 0 Yдоп = 2n — |Y| Весовой коэффициент: 2n-1. Поэтому, если вычислить псевдопроизведение:

Процессор — урок. Информатика, 7 класс.

Процессор является центральным устройством и выполняет команды программы, которая хранится в оперативной памяти.

Команда программы поступает в процессор по шине данных и декодируется, т. е. определяется, какие действия необходимо выполнить и какие данные для этого требуются.

Данные запрашиваются из оперативной памяти, для этого по шине адреса передаются их адреса, а по шине управления — сигнал на считывание.

Считанные данные передаются в процессор по шине данных.

Декодированная команда и данные передаются в АЛУ (арифметико-логическое устройство), где отдельно обрабатываются целочисленные данные, и отдельно — данные в форме чисел с плавающей запятой.

Результаты обработки передаются по шине данных в оперативную память, одновременно по шине адреса передаются адреса ячеек памяти, куда данные необходимо записать, а по шине управления передаётся сигнал на запись.

Быстродействие процессора существенно больше быстродействия оперативной памяти, поэтому процессор часть времени простаивает в ожидании данных. Чтобы этого не происходило, в современные компьютеры встроена более быстрая, чем оперативная память, кэш-память.

Кэш-память разделена на два уровня:

1. В кэш-память второго уровня считывается из оперативной памяти очередная порция команд и данных.

2. Кэш-память первого уровня разделена на две части: в одну часть считываются наиболее нужные процессору данные, а в другую часть — наиболее нужные процессору команды.

В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.

С начала \(70\)-х годов \(ХХ\) века все необходимые компоненты ЦП размещают в одной полупроводниковой микросхеме — БИС или СБИС (больших или сверхбольших интегральных схемах).

БИС — плоская полупроводниковая пластина размером примерно \(20\)x\(20\) мм, заключённая в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов).

Например, процессор Intel Core \(2\) Duo с \(4\) МБ кэш-памяти состоит из около \(291\) миллиона функциональных элементов, размеры которых составляют всего около \(0,13\) микрон (1 микрон = 10−6 м).

Производительность процессора является его интегральной характеристикой и определяет скорость выполнения приложений.

Производительность процессора прямо пропорциональна разрядности процессора, его частоте, а также количеству команд, выполняемых за один такт: Производительность &ap; Разрядность х Частота х  Кол−во команд за такт.

Частота соответствует количеству тактов обработки данных, которые процессор производит за \(1\) секунду.
С момента появления первого процессора частота процессоров увеличилась в \(37 000\) раз (с \(0,1\) МГц до \(3700\) МГц).
Однако увеличение производительности процессоров за счёт увеличения частоты имеет свой предел из-за тепловыделения.

Для отвода тепла от процессора применяют массивные воздушные системы охлаждения (кулеры).

Рис. \(1\). Кулер для процессора

Рис. \(2\). Самый первый процессор Intel \(4004\) (\(1971\) год)

Рис. \(3\). Современный процессор Intel Core \(2\) Duo (\(2007\) год)

Рис. \(4\). Разъём для установки процессора

Учебный курс «Информатика»

Процессор

    Процессор — центральный блок компьютера, где производится обработка информации. Он управляет работой всех устройств и производит все логические и арифметические операции.

    Основным устройством процессора является арифметическое устройство (АЛУ — арифметико-логическое устройство). Именно оно выполняет все операции над данными. В состав процессора входит и устройство управления, которое управляет всеми устройствами и отслеживает последовательность выполнения команд.

    В настоящее время процессор аппаратно реализуется в виде БИС (больших интегральных схем). Современные процессоры типа PENTIUM содержат в себе миллионы функциональных элементов. Процессор может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, видео- и звуковую информацию.

    Процессор работает в тесном контакте с микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты (ГТЧ). ГТЧ вырабатывает периодические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. Это своеобразный метроном внутри компьютера. В ритме этого метронома работает процессор. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт — это промежуток времени между началом подачи текущего импульса и началом подачи следующего. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Ясно, что если «метроном стучит» быстрее, то и процессор работает быстрее. Тактовая частота измеряется в мегагерцах — МГц. Частота в 1 МГц соответствует миллиону тактов в 1 секунду. Вот некоторые характерные тактовые частоты микропроцессоров: 130 МГц, 266 МГц, 1000 МГц, 2000 МГц, 3 ГГц и др.

Память компьютера

    Вся вводимая информация попадает в запоминающее устройство или память машины, где она хранится до момента, когда понадобится.

    Носитель информации – это физическая среда, в которой она фиксируется.

    В роли носителя могут выступать бумага, фотопленка, клетки мозга, перфокарты, перфоленты, магнитные ленты и диски или ячейки памяти компьютера. Современная техника предлагает все новые и новые разновидности носителей информации. Для кодирования информации в них используются электрические, магнитные и оптические свойства материалов. Разрабатываются носители, в которых информация фиксируется даже на уровне отдельных молекул.

    Память ЭВМ бывает внутренней и внешней. Внутренняя память включает в себя постоянную и оперативную.

    Постоянная память (ПЗУ — постоянное запоминающее устройство). Особенностью ПЗУ является то, что из него в процессе работы можно только считывать информацию, а записывать нельзя. Характерной чертой ПЗУ является сохранение информации при отключенном питании компьютера. Записанная в ПЗУ информация заносится один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере) в течении всего периода эксплуатации ПК и не может быть изменена в процессе работы. ПЗУ — быстрая, энергонезависимая память. В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере. Обычно это компоненты операционной системы (программы контроля оборудования, программа первоначальной загрузки ЭВМ и пр.)

    В современных ПК есть быстрая память еще одного вида, имеющая специальное назначение. Это видеопамять. Видеопамять хранит код изображения, выводимого на дисплей.

    Оперативная память (ОП) — это устройство компьютера, предназначенное для хранения данных (исходных, промежуточных и конечных) и программ (набора команд). Всё, что вы вводите в ЭВМ, запоминается в ОЗУ (оперативно-запоминающем устройстве). Английское название ОЗУ — Random Access Memory (RAM), что переводится как «память с произвольным доступом». Этим названием подчеркивается тот факт, что процессор может обращаться к ячейкам памяти в произвольном порядке, при этом время чтения/записи информации для всех ячеек одинаково (оно измеряется микросекундами).

    В информацию, хранящуюся в ОЗУ, можно внести изменения. При выключении ПК вся информация в ОЗУ стирается. Эту память называют оперативной, т.к. она позволяет с очень большой скоростью записывать и передавать информацию. Однако объём ОП ограничен, поэтому существует необходимость подключить внешнюю память. Физически ОП изготавливается в виде БИС, имеющих различную информационную ёмкость.

    Для ускорения доступа к данным используется специальное устройство, называемое кэш-памятью. Кэш-память — это «сверхоперативная» память сравнительно небольшого объема (обычно до 520000 символов), построенная на иной элементной базе, чем оперативная память. В кэш-памяти хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. При обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к оперативной памяти, то среднее время доступа к памяти уменьшается.

    Внешняя память как бы заменяет книги с описанными в них программами и алгоритмами. К устройствам внешней памяти или ВЗУ (внешним запоминающим устройствам) относятся:

    • Накопители на гибких магнитных дисках

    • Накопители на жестких магнитных дисках

    • Дисководы для работы с лазерными компакт дисками

    • Магнитооптические системы

    • Стримеры

    • Флеш-диски

    Основное назначение внешней памяти — долговременное хранение большого количества информации. Для пользователя имеют существенное значение некоторые технико-экономические показатели внешних запоминающих устройств и носителей информации: информационная ёмкость, скорость обмена информацией, надёжность её хранения и стоимость.

Магнитные носители

    Первые компьютеры использовали в качестве внешней памяти обычные магнитофоны. Сегодня магнитофоны используются лишь для резервного копирования содержимого жёстких магнитных дисков (МД), т.к. на дисках можно потерять информацию «благодаря» компьютерным «вирусам». Магнитофон со специальными возможностями, который записывает информацию с компьютера на специальную кассету с магнитной лентой (МЛ), называется стриммером. Кассета стриммера имеет очень большой объём и позволяет хранить информацию со всего жёсткого диска.

    В основу записи, хранения и считывания информации на магнитные носители положен магнитный принцип: в процессе записи носитель перемещается относительно головки с сердечником из магнитомягкого материала, электрические импульсы создают в головке магнитное поле, которое последовательно намагничивает или не намагничивает элементы носителя.

    При считывании информации намагниченные участки носителя вызывают в головке импульс тока, что позволяет качественно распознать информацию. Способ записи и считывания информации на МЛ и МД аналогичен работе обычного магнитофона.

    Жёсткий диск — это пластинка из немагнитного материала, на поверхность которой нанесён магнитный слой. Среднее время его безотказной работы — сотни тысяч часов. Жёсткие магнитные диски состоят из нескольких дисков, размещённых на одной оси и вращающихся с большой угловой скоростью (несколько тысяч оборотов в секунду), заключённых в металлический корпус. Головки считывания/записи передвигаются сразу по всем поверхностям дисков.

    Жесткий магнитный диск (ЖМД), или винчестер, предназначен для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, текстовых редакторов и т. д. Современные ЖМД имеют скорость вращения от 3600 до 7200 об/мин. Это может быть стеклянный диск (с металлической поверхностной пленкой, например кобальтовой), не чувствительный к температуре. Информационная емкость — до 48 млрд. символов.

Это интересно!

    Сравнительно новое понятие: флеш-диск. Это устройство для долговременного хранения данных, с возможностью многократной перезаписи, реализованное на микросхемах памяти (т.е. также, как ОЗУ). Достоинства: малая мощность, надёжность в работе, малогабаритность, устойчивость к ударам, отсутствие механических и движущихся частей, объем памяти от 2 до 200 Мб и даже до 1,7 Гб. Недостаток — высокая цена устройства. Несмотря на дороговизну, похоже, что флеш-диски со временем вытеснят винчестеры.

    Гибкие магнитные диски используются для обмена программами между компьютерами и при поставке программных продуктов. Гибкие МД (ГМД) предназначены для переноса документов и программ с одного компьютера на другой, хранения архивных копий и информации, не используемой постоянно на компьютере.

    Гибкие диски помещаются в конверт из плотной бумаги или в пластмассовый корпус. В центре диска имеется отверстие для обеспечения вращения диска в дисководе. В защитном конверте имеется продолговатое отверстие, через которое производится запись/считывание информации. На боковой кромке дискет находится маленький вырез, позволяющий производить запись, но если вырез заклеить, запись становится невозможной (диск защищён). В некоторых дискетах защиту от записи обеспечивает предохранительная защелка в левом нижнем углу пластмассового корпуса.

    Гибкий МД диаметром 5,25 дюйма использовались до середины 80-х годов 20 века и могли хранить до 1,5 млн. символов информации. Дискеты размером 5,25 дюйм не обеспечивали хорошей физической защиты носителю. В настоящее время ещё используются ГМД диаметром 3,5 дюйма, которые имеют емкость 1,8 млн. символов. Защита магнитного слоя является особенно актуальной, поэтому сам диск спрятан в прочный пластмассовый корпус, а зона контакта головок с его поверхностью закрыта от случайных прикосновений специальной шторкой, которая автоматически отодвигается только внутри дисковода.

Это интересно!

    Любой магнитный диск первоначально к работе не готов. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован, т. е. должна быть создана структура диска. Информация на ГМД хранится на магнитных концентрических дорожках, разделенных на сектора, отмеченных магнитными метками, а у ЖМД есть еще и цилиндры — совокупность дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков. Все дорожки магнитных дисков на внешних цилиндрах больше, чем на внутренних. Следовательно, при одинаковом количестве секторов на каждой из них плотность записи на внутренних дорожках должна быть больше, чем на внешних. Количество секторов, емкость сектора, а, следовательно, и информационная емкость диска зависят от типа дисковода и режима форматирования, а также от качества самих дисков.

    Недостатками магнитных носителей являются способность разрушения магнитного слоя при частом считывании информации и от воздействия магнитных полей и явление «жевания» ленты. Достоинство — возможность записывать информацию множество раз.

Оптические носители

    Существуют накопители на оптических дисках (CD-ROM), где информация записывается лазером. Внешне они ничем не отличаются от звуковых компакт-дисков. Диски CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) обладают емкостью до 3 млрд. символов информации, высокой надежностью хранения информации, долговечностью (прогнозируемый срок его службы при качественном исполнении — до 30-50 лет).

Это интересно!

    Процесс изготовления с CD-ROM состоит из нескольких этапов. Сначала подготавливают информацию для мастер-диска (первого образца), изготавливают его и матрицу тиражирования. Закодированная информация наносится на мастер-диск лазерным лучом, который создает на его поверхности микроскопические впадины, разделяемые плоскими участками. Цифровая информация представляется чередованием впадин (не отражающих пятен) и отражающих свет островков. Копии негатива мастер-диска (матрицы) используются для прессования самих компакт-дисков. Тиражируемый компакт-диск состоит из отражающего и защитного слоев. В качестве отражающей поверхности обычно используется тонко запыленный алюминий. В отличие от магнитных дисков, дорожки которых представляют собой концентрические окружности, CD-ROM имеет всего одну физическую дорожку в форме спирали, идущей от наружного края диска к внутреннему (как на грампластинке).

    CD-ROM накопители используют оптический принцип чтения информации. Лазерный луч падает на поверхность вращающегося CD-ROM диска и луч отражается в нём с интенсивностью, соответствующей значениям 0 и 1. Лазерный луч попадает на отражающий свет островок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий его как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается — фотодетектор фиксирует двоичный ноль.

    Для загрузки компакт-диска в дисковод используется либо одна из разновидностей выдвижной панели, либо специальная прозрачная кассета. Выпускают устройства, которые позволяют самостоятельно записывать специальные компакт-диски. В отличие от обычных, данные диски имеют отражающий слой из золота. Это, так называемые, перезаписываемые CD-R. Подобные диски обычно служат как мастер-диски для дальнейшего тиражирования или создания архивов.

    Резерв повышения емкости — повышение плотности записи путем уменьшения длины волны лазера. Так появились компакт-диски, способные хранить почти 5 млрд. символов информации на одной стороне и 10 млрд. символов — на двух сторонах. Планируется также создание двухслойной схемы записи, т.е. когда на одной стороне носителя будут две разнесенные по глубине поверхности с записанными данными. В этом случае информационная емкость компакт диска возрастает до 9 млрд. символов на одной стороне.

    Недостатком CD-ROM диска является занесение информации на носитель только один раз. Достоинство CD-ROM диска — бесконечное считывание информации без потерь.

    Похоже, ставшие привычными компакт-диски CD-ROM вскоре отойдут в прошлое. Уже широко используются компакт-диски с возможностью перезаписи (CD-RW, CD-ReWritablie). CD-RW диски сняли принципиальное ограничение CD-ROM, связанное с возможностью лишь с однократной записи информации. Запись на CD-R диске возможна только один раз и производится пользователем с помощью компактного и недорогого записывающего дисковода.

    Появились цифровые лазерные DVD-диски. Основное их отличие — это более высокая плотность записи. Так, преобладающим на компьютерном рынке является диск диаметром 120 мм и ёмкостью до 5 миллиардов символов. Считается, что ёмкость DVD-дисков может достигать 15 миллиардов символов.

    Различают DVD-ROM и DVD-RAM диски. DVD-ROM только для чтения. DVD-RAM для чтения и записи. Для чтения DVD-дисков требуется специальный дисковод, который читает и CD-ROM тоже.

Магнитооптические носители

    Одно из достижений XX столетья — магнитооптические диски. В них используются достоинства магнитных и оптических носителей: многократность записи и многократность считывания. Магнитооптические диски могут оказаться одним из самых жизнеспособных устройств, предназначенных для хранения данных. Дело в том, что CD-ROM удобны для хранения информации, а в работе с ней они оказываются медленнее, чем жесткие магнитные диски. Поэтому обычно с компакт-дисков информацию переписывают на МД, с которым и работают. Такая система не годится, если работа связана с базами данных, которые ввиду большой информационной емкости как раз выгоднее размещать на CD-ROM. Кроме того, компакт-диски, используемые в настоящий момент на практике, не являются перезаписываемыми. Магнитооптические диски лишены этих недостатков. Здесь объединены достижения магнитной и оптической технологий. На них можно записывать информацию и быстро считывать ее. Они сохраняют все преимущества ГМД (переносимость, возможность отдельного хранения, увеличение памяти компьютера) при огромной информационной емкости.

    В магнитооптических системах магнитная запись производится на поверхность компакт-диска, предварительно сильно разогретую лазерным лучём. Первые магнитооптические диски внешне напоминали дискету 3,5 дюйм. Затем были созданы диски размером 5,25 дюйм, которые также помещались в пластиковый корпус. После этого появились магнитооптические диски без корпуса, т.е. точно такие же, как обычные лазерные аудио-диски и об этих достижениях было сказано выше.

Устройства ввода-вывода информации

    Устройства ввода-вывода информации организуют диалог пользователя с ЭВМ.

    Чтобы ЭВМ выполняла полезные функции по обработке информации, её нужно прежде всего ввести. Клавиатура — самое известное и распространённое устройство ввода информации в компьютер. На физическом уровне оно представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих тем или иным способом определённую электрическую цепь. К устройствам ввода информации в ЭВМ относится и графический манипулятор — «мышка». Он позволяет управлять состоянием объектов, выведенных на экран: меню, световых кнопок и др. Разновидностью графического манипулятора «мышь» является «трекбол», здесь движение манипулятора осуществляется с помощью большого шарика внутри. Он не требует коврика, не занимает много места на столе, шарик вращают рукой.

    Существует большое количество других конструкций мыши, например:

    1. Беспроводная мышь — сигналы от мыши передаются с помощью радиопередатчика.

    2. Оптическаямышь – использует специальный коврик и луч света вместо шарика.

    3. Ножная мышь.

    Джойстик (используется в игровых приставках) вводит координатно-числовую информацию, необходимую для реализации игр, с помощью пальцев рук;
графический планшет (дигитайзер) обеспечивает ввод данных (координат точек и кривых) с большой точностью; устройство «световое перо», которое захватывает и перемещает точку или курсор на экране дисплея, тоже позволяет вводить информацию в компьютер; сканер — устройство ввода, сканирующее по строкам любой рисунок и передающее информацию о нём в персональный компьютер (используется в издательствах, в хорошо оснащённых фотолабораториях).
Принцип работы сканера заключается в следующем: сканируемое изображение освещается белым светом. Отражённый свет через уменьшающую линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый элемент. Каждая строка сканирования соответствует определённым значениям напряжения на нём, затем значения напряжения преобразуются в цифровую форму. Сканеры бывают ручные, планшетные и барабанные. Ручные практически не выпускаются. Наивысшее качество обеспечивают барабанные сканеры. Различают черно-белые и цветные сканеры. Сканер вводит изображение как множество точек, указав для каждой координаты и номер цвета. По этим данным вводится в память копии изображения. Если вводить текст с помощью сканера, то необходимы специальные программы.

    На заре развития вычислительной техники использовались устройства ввода-вывода информации с перфокарт и перфолент. Люди старой закалки хорошо помнят рулоны перфолент и колоды перфокарт, которые в течение нескольких секунд изрубались в лапшу неисправным считывателем. Они обладали серьёзными недостатками: бумага быстро рвалась, и трудно было исправит ошибки.

    Печатающие устройства, напоминающие обычные печатающие машинки, ранее также использовались для ввода-вывода информации. Но из-за сильного шума при работе этих устройств пользователи отказались от них.

    Дисплей является устройством ввода-вывода текстовой и графической информации, так как в своём составе имеет монитор и клавиатуру. Находят применение три типа монитора: на жидких кристаллах с плоским экраном, газоплазменные мониторы и мониторы с электронно-лучевой трубкой. Мониторы бывают цветными и монохромными.

    Принтеры выводят на бумагу документы и программы (существует несколько разновидностей принтеров: матричные, где печать осуществляется с помощью тонких металлических стержней, ударяющих по бумаге через красящую ленту; струйные, где печать осуществляется микрокаплями специальных чернил, выдуваемых на бумагу с помощью сопел; лазерные принтеры, обеспечивающие самое высокое качество печати, используют принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички красителя). Другие устройства вывода информации на бумагу — графопостроители распечатывают чертежи и графики на бумагу. Колонки предназначены для акустического вывода (воспроизведения) звуковой информации, как уже хранящейся в памяти ПК в виде файлов, так и поступающей в ПК с внешних музыкальных устройств. Все эти устройства иначе называются периферийными.

    Для ввода информации в ЭВМ сейчас используют цифровые видеокамеры и фотоаппараты, всё чаще используются речевые ввод и вывод. Трудно представить, что станет общепринятым завтра. Появились переносные компьютеры без клавиатуры, которые могут распознавать и вводить рукописный текст. Изображение можно выводить на инфошлем — два миниатюрных экрана перед глазами создают стереоизображение. Инфоперчатки могут передавать в компьютер изображения пальцев человека и, получая информацию от компьютера, оказывать сопротивление движениям человека. Инфоскафандры способны воспринимать положение тела человека и по командам компьютера имитировать прикосновение или давление на кожу человека. Все эти инфоустройства позволяют создавать так называемые искусственные реальности (виртуальный мир), где человек оперирует в воображаемом, созданном компьютером мире, получая через свои органы чувств соответствующие комплексы ощущений.

Архитектура ЭВМ

1.2. Технические средства обработки информации

1.2.2. Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ — совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рисунке 1.

Рис. 1.

Положения фон Неймана:

1. Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода).
2. Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти.
3. Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками).
4. Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме.
5. Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся  в одном и том же запоминающем устройстве.
6. Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода.

Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.

Запоминающие устройства обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.

Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору.

Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК.

ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS.

В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода – дисплей, принтер и т.д.

В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в устройстве управления.

Далее…>>>Тема: 1.2.3. Устройства ПК и их характеристики

Арифметико-логический блок (ALU): определение, конструкция и функции — видео и стенограмма урока

Как работает ALU

ALU выполняет основные арифметические и логические операции. Примерами арифметических операций являются сложение, вычитание, умножение и деление. Примерами логических операций являются сравнения таких значений, как НЕ, И и ИЛИ.

Вся информация в компьютере хранится и обрабатывается в виде двоичных чисел , то есть 0 и 1. Транзисторные переключатели используются для управления двоичными числами, поскольку существует только два возможных состояния переключателя: разомкнутый или замкнутый. Открытый транзистор, через который нет тока, представляет собой 0. Закрытый транзистор, через который проходит ток, представляет собой 1.

Операции могут выполняться путем соединения нескольких транзисторов. Один транзистор может использоваться для управления вторым — по сути, включение или выключение транзистора в зависимости от состояния второго транзистора.Это называется вентилем , потому что устройство может использоваться для разрешения или остановки тока.

Самый простой тип операции — вентиль НЕ. Здесь используется только один транзистор. Он использует один вход и производит единственный выход, который всегда противоположен входу. На этом рисунке показана логика шлюза НЕ:

Другие вентили состоят из нескольких транзисторов и используют два входа.Логический элемент ИЛИ дает 1, если первый или второй вход равен 1. Логический элемент ИЛИ дает 0, только если оба входа равны 0. На этом рисунке показана логика логического элемента ИЛИ:

Логический элемент И дает 1 только в том случае, если и первый, и второй вход равны 1. На этом рисунке показана логика логического элемента И:

Логический элемент XOR, также произносится как вентиль X-OR, приводит к 0, если оба входа равны 0 или оба равны 1.В противном случае результатом будет 1. На этом рисунке показана логика логического элемента XOR:

Различные ворота звучат немного абстрактно, но помните, что компьютер обрабатывает только двоичные данные. Следуя двоичной логике этих операций, вы начинаете думать как компьютер.

Различные комбинации логических вентилей позволяют выполнять арифметические операции.Например, в двоичном коде число 2 представлено как один-ноль, а число 3 представлено как один-один. Так как же компьютер складывает 2 и 3? Вычисление осуществляется с помощью серии логических элементов ИЛИ, И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Результатом шагов логической обработки является один-ноль-один, что является двоичным кодом для 5.

Шлюзы позволяют компьютеру разбить любую сложную операцию на очень большое количество двоичных шагов. Поначалу это может показаться довольно громоздкой системой для выполнения простого добавления; однако компьютер может выполнять эти операции со скоростью своего центрального процессора, которая измеряется в гигагерцах или триллионах вычислений в секунду.Кроме того, типичный ЦП содержит сотни миллионов транзисторов, которые позволяют создавать очень сложные ALU. Компьютер также обрабатывает за раз гораздо более крупные двоичные последовательности. В результате сложные операции можно выполнять за доли секунды.

Итоги урока

Давайте рассмотрим. Центральный процессор компьютера содержит арифметико-логический блок (АЛУ) для выполнения операций. Транзисторы используются для создания логических вентилей, включая НЕ, ИЛИ, И и XOR.Комбинации логических вентилей позволяют выполнять арифметические операции.

Результаты обучения

Урок дает возможность:

• Определить арифметико-логический блок (ALU)
• Идентифицировать логические элементы НЕ, ИЛИ, И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ
• Объясните, как ALU выполняет арифметические операции

Арифметико-логических единиц (ALU): введение

Арифметико-логические единицы (ALU): введение

Арифметический блок, или ALU, позволяет компьютерам выполнять математические операции с двоичными числами.Они лежат в основе любого цифрового компьютера и являются одной из самых важных частей ЦП (центрального процессора). В этой заметке исследуются их основные функции, анатомия и история.

Знакомство с машиной

Если бы вы могли взять компьютер и вырвать ему сердце — как бы он выглядел? Это может показаться странным, но действительно ли мы можем это сделать? Или вопрос вообще имеет смысл?

В наши дни трудно даже представить себе, что такое компьютер.У большинства из нас та или иная форма сидит в карманах, привязана к запястьям или сидит на столе. Все они выглядят совершенно по-разному и используются для разных целей — они вообще работают одинаково?

Что ж, вас может удивить, что все эти устройства используют одни и те же основные механизмы для работы. Все они происходят из одной и той же изначальной цифровой ДНК, и все они имеют одно и то же постоянное сердцебиение, даже если одни бьются быстрее, чем другие.

Некоторых также может шокировать, узнав, что компьютеры — это просто тупые машины, управляемые потоком двоичных инструкций, которыми постоянно манипулируют бездушные механизмы.В них действительно нет ничего волшебного или умного — независимо от того, что Сири может вам сказать.

По определению компьютер или «вычислительная машина» — это аппаратное обеспечение, которое выполняет вычисления общего назначения на основе набора сохраненных инструкций. Проще говоря, компьютер — это бинарный калькулятор на стероидах, который работает через повторяющийся процесс, называемый циклом «выборка-декодирование-выполнение».

Вечные механизмы

«Выборка-декодирование-выполнение» относится к вычислительному процессу, который непрерывно выбирает инструкции из хранилища памяти, декодирует их в операции и выполняет их для выполнения вычислений.И именно эти простые шаги приводят к сложному (и, казалось бы, волшебному) поведению, которое мы ожидаем от современных вычислительных машин!

Иллюстрация цикла

выборка-декодирование-выполнение Процесс выборки-декодирования-выполнения может быть дополнительно объяснен путем связывания каждого шага цикла (FETCH / DECODE / EXECUTE) с тремя аппаратными подсистемами: блоком памяти, блоком управления и арифметическим единица.

FETCH (выполняется блоком памяти)
Блок памяти — это часть вычислительной машины, которая содержит машинные инструкции или данные для выполнения вычислений общего назначения.Эта подсистема позволяет получать доступ к сохраненным инструкциям или данным во время выполнения программы.

DECODE (выполняется блоком управления)
Блок управления отвечает за автоматизацию и упорядочение цикла выборки-декодирования-выполнения — вы можете думать об этом как о системном «проводнике». Он также декодирует инструкции и обеспечивает последовательное выполнение правильных системных операций.

EXECUTE (выполняется арифметическим устройством)
Арифметическое устройство — это аппаратная подсистема, которая выполняет арифметические операции над двоичными входами.В простейших арифметических устройствах выполняется двоичное сложение и вычитание. Более сложные AU могут выполнять умножение, деление и логические побитовые операции. Однако эти более сложные AU обычно называют ALU: «Арифметико-логическая единица».

Анатомия арифметического устройства и ALU

Арифметический блок, или ALU, позволяет компьютерам выполнять математические операции с двоичными числами. Они лежат в основе любого цифрового компьютера и являются одной из самых важных частей ЦП (центрального процессора).

В своей простейшей форме арифметическое устройство можно сравнить с простым двоичным калькулятором — выполняющим двоичное сложение или вычитание на двух входах (A и B) для вывода результата (чтобы узнать больше о том, как это работает, ознакомьтесь с нашим примечанием: Двоичный код Сложение с полными сумматорами).

Простое арифметическое устройство

Помимо выполнения основных математических операций, арифметическое устройство может также выводить серию «флагов», которые предоставляют дополнительную информацию о статусе результата: равен ли он нулю, есть ли выполнение или нет. произошло переполнение.Это важно, поскольку позволяет вычислительной машине выполнять более сложные действия, такие как условное ветвление.

Однако современные вычислительные машины содержат «арифметические устройства», которые намного сложнее, чем описанный выше. Эти блоки могут выполнять дополнительные базовые математические операции (умножение и деление) и побитовые операции (И, ИЛИ, XOR и др.). Как таковые, их обычно называют ALU (Arithmetic Logic Unit).

ALU позволяют выполнять математические процедуры оптимальным образом, и это может значительно сократить количество шагов, необходимых для выполнения конкретного вычисления.

Сегодня большинство ЦП (центральных процессоров) содержат АЛУ, которые могут выполнять операции с 32- или 64-битными двоичными числами. Однако AU и ALU, которые обрабатывают гораздо меньшие числа, также имеют свое место в истории вычислений.

Краткая история арифметических логических единиц

Идея вычислений, состоящих из отдельных подсистем, работающих вместе для создания сложного поведения, не принадлежит 20 веку. Фактически, машины с хранимыми программами были концептуализированы Чарльзом Бэббиджем более чем за 100 лет до знаменитой формализации «универсальной машины Тьюринга» Аланом Тьюрингом в 1930-х годах.

Небольшая книга «Fast than Thought» (1953) Б.В. Боудена прекрасно описывает концептуализацию вычислений Бэббиджа, которая включает в себя понятие блока управления, блока памяти и арифметического блока! Бэббидж называл эту подсистему «Мельница», отдавая должное механическому контексту арифметического устройства того времени.

«Отрывок из книги« Быстрее, чем мысль », Б.В. Боуден, 1953.

Теоретические основы вычислений увидели свет благодаря созданию первых цифровых компьютеров.Такие машины, как компьютер MOSAIC, который запустил свою первую программу примерно в 1953 году, состояли из более чем 6480 электронных ламп и занимали пространство в четырех комнатах! На изображении ниже показано изображение его «Арифметической стойки», которая была одним из первых арифметических устройств. Он работал как ядро ​​компьютера, пока машина не была списана в начале 1960-х годов. (Обратите внимание на стойку управления. «Хранилище» памяти находилось в отдельной комнате).

Изображение MOSAIC «Arithmetic Rack» из книги «Early British Computers», S.Lavington, 1980.

Изучая первые цифровые компьютеры, стоит также упомянуть EDSAC 2 (работала в 1958 г.), который был первым компьютером с микропрограммным блоком управления. Для опытных наблюдателей ALU стоит посетить «Центр истории вычислений» в Кембридже, в котором находится часть Арифметико-логического устройства этой машины:

Модуль арифметической логики из EDSAC 2: размещен в Центре истории вычислительной техники, Кембридж.

С 1960-х годов компьютеры стали значительно уменьшаться в размерах благодаря изобретению интегральных схем, которые заменили технологию электронных ламп, использовавшуюся в ранних компьютерах.В 1970 году компания Texas Instruments представила оригинальную микросхему 74181 TTL — 4-битный ALU — которая упростила конструкцию миникомпьютеров. Он выполнял арифметические операции (сложение и вычитание) и логические операции (AND, OR, XOR). Он должен был стать поворотным в истории проектирования ALU и вычислительных технологий, использовавшихся в известных компьютерах, таких как PDP-11.

Изображение классической микросхемы 74181 ALU. Автор 74s181 в английской Википедии — перенесено из en.wikipedia в Commons пользователем audriusa., Public Domain, Link

Многие считают ИС 74181 TTL классической микросхемой, даже если она больше не производится.Его упадок, однако, сигнализирует о росте процессоров, подсистемы компьютеров миниатюризированы и включены в кремниевые срезы современной микропроцессорной технологии.

Подробнее:

Сегодня вы больше не можете видеть или держать в руке современный ALU. А простые механизмы, управляющие повседневными вычислениями, теперь теряются и забываются маршем миниатюризации!

Вот почему, хотя наш 4-битный арифметический блок DIY, ARITH-MATIC стремится возродить физические и видимые связи, которые мы когда-то имели с давно утерянными предшественниками современных цифровых вычислений.

Чтобы быть в курсе последних новостей ARITH-MATIC, выпусков комплектов и сообщений в блогах, подписывайтесь на нас в Twitter и Facebook.

Вам также могут понравиться:

Заметка № 8

Заметка № 9

Заметка № 10

Ознакомьтесь с нашими электронными наборами DIY:

Арифметико-логический блок | Использование, рабочий режим, детали и конфигурация

Ресурсы двоичной системы GCSE (14-16 лет)

• Редактируемая презентация урока в PowerPoint
• Редактируемые раздаточные материалы для исправлений
• Глоссарий, охватывающий ключевую терминологию модуля
• Тематические интеллектуальные карты для визуализации ключевых понятий
• Печатные карточки, помогающие учащимся активнее вспоминать и повторять на основе уверенности
• Викторина с сопровождающим ключом ответа для проверки знаний и понимания модуля

Бинарные ресурсы уровня A (16-18 лет)

• Редактируемая презентация урока в PowerPoint
• Редактируемые раздаточные материалы для исправлений
• Глоссарий, охватывающий ключевую терминологию модуля
• Тематические интеллектуальные карты для визуализации ключевых понятий
• Печатные карточки, помогающие учащимся активнее вспоминать и повторять на основе уверенности
• Викторина с сопровождающим ключом ответа для проверки знаний и понимания модуля

ВВЕДЕНИЕ

Арифметико-логический блок — это часть компьютера, которая выполняет арифметические операции с двоичными числами.

Напротив, FPU (модуль с плавающей запятой) работает с десятичными значениями. Этот ALU состоит из ЦП (центрального процессора), блока с плавающей запятой (FPU), графического процессора (графического процессора). Таким образом, один ЦП или FPU может содержать несколько ALU.

Входы в ALU — это данные, в которых мы должны выполнять операции. Их называют операндами. Они выполняют необходимую операцию, и результат — это результат выполненной нами операции.

Таким образом, ALU состоит из входа или выхода, или даже из обоих.Они также содержат результаты ранее выполненных операций или текущей операции, а также регистры. Регистры используются для хранения, выборки и обработки данных, и это используется центральным процессором. Регистры процессора — это регистры, которые используются ЦП для обработки.

Современные компьютеры содержат очень сложные арифметические логические единицы. В дополнение к этому они также могут содержать блок управления (CU).

Данные перемещаются между ALU, памятью и регистрами, и эта операция выполняется центральным процессором (CPU).

РАБОЧИЙ РЕЖИМ АРИФМЕТИЧЕСКОЙ ЛОГИКИ

ALU выполняет арифметические и логические операции.

Арифметические операции включают сложение, вычитание, умножение и деление.

Логические операции включают операции с использованием AND, OR и NOT. Он делает сравнение операций.

Компьютер манипулирует и сохраняет числа в виде нулей и единиц. Для этих операций используются транзисторные переключатели, поскольку они принимают значения только в единицах и нулях.

Используется концепция открытого и закрытого переключателя.

Разомкнутый выключатель — это устройство, в котором ток не проходит, и он представляет собой значение «0». Замкнутый переключатель — это устройство, в котором проходит ток, и он представляет собой значение «1».

Можно подключить несколько транзисторов и получить результат на выходе. Первый транзистор можно подключить ко второму и, в свою очередь, управлять работой второго транзистора. Второй транзистор может быть включен или выключен в зависимости от состояния первого процессора.Это называется «ВОРОТА» (логические ворота). Ворота — это ворота, через которые протекает ток.

А теперь подробнее о Гейтсе. Есть 3 ворот. И, ИЛИ, и НЕ ворота.

ИЛИ ворота:

Здесь мы даем два входа и получаем один выход. Если вход A равен 0, а вход B равен 0, то выход C равен 0. Если вход A равен 0, а вход B равен 1, то выход C равен 1.Если вход A равен 1, а вход B равен 0, то выход C равен 1. Если вход A равен 1, а вход B равен 1, то выход C также равен 1.

И ворота:

Этот логический элемент И снова имеет два входа и дает один выход. Если вход A равен 0, а B равен 1, то выход равен 0. Если вход A равен 0, а вход B равен 1, то выход C равен 0. Если вход A равен 1, а вход B равен 0, то выход C равен 0. Если вход A равен 1, а вход B равен 1, тогда выход C также равен 1.

НЕ ворота:

вентиль НЕ обычно состоит из 1 входа и 1 выхода.Если вход A равен 0, то выход B равен 1. Если вход A равен 1, то выход B равен 0.

Гейт XOR:

X или является обратной версией логического элемента ИЛИ. В вентиле XOR, если вход A равен 0, а B равен 0, то выход C равен 0. Если вход A равен 0, а B равен 1, то выход C равен 1. Если вход A равен 1, а вход B равен 0, то выход C равен 1. Если вход A равен 1, а B равен 1, тогда выход C равен 1.

NOR ворота:

В вентиле ИЛИ-НЕ, если вход A равен 0, а B равен 0, то выход C равен 1.если вход A равен 0, а B равен 1, то выход C равен 0. Если вход A равен 1, а вход B равен 0, то выход C равен 0. Если вход A равен 1, а B равен 1, то выход C равен 0.

Гейт NAND:

В логическом элементе И-НЕ, если вход A равен 0, а B равен 0, тогда выход C равен 1. Если вход A равен 0, а B равен 1, то выход C равен 1. Если вход A равен 1, а вход B равен 0, то выход C равен 1. Если вход A равен 1, а B равен 1, то выход C равен 0.

ОПЕРАЦИИ С ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ БИТА

Операция сдвига битов выполняется для сдвига самого старшего бита вправо или влево.Есть три типа операций сдвига битов:

ЛЕВЫЙ АРИФМЕТИЧЕСКИЙ СДВИГ:

При арифметическом сдвиге влево старший бит смещается вправо. Нули сдвинуты вправо.

ПРАВЫЙ АРИФМЕТИЧЕСКИЙ СДВИГ:

При арифметическом сдвиге вправо старший бит смещается влево. Нули сдвинуты влево.

ПРАВЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ СДВИГ:

При локальном сдвиге вправо нули сдвигаются влево, и следует отметить, что самый младший бит потерян.

АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ

Под арифметическими операциями подразумевается сложение и вычитание. Умножение и деление используются редко или не используются совсем. В таких случаях сложение используется вместо умножения, а вычитание — вместо деления.

ЧАСТИ АРИФМЕТИЧЕСКОЙ ЛОГИКИ

Арифметико-логический блок состоит из:

• Входной и выходной доступ к контроллеру (центральному процессору).
• Основная память или оперативная память (RAM)
• Устройства ввода / вывода.

Электронный тракт, по которому проходят входы и выходы, называется шиной.

Входные данные иногда состоят из операционного кода (кода операции), который содержит инструкцию (машинную инструкцию), а иногда даже кода формата.

Код операции (Opcode) сообщает компьютеру, какую операцию необходимо выполнить, а также прокладывает путь для выполнения задачи операндом. А вот арифметическое и логическое разделение.

Он может просто сложить два числа, которые называются арифметическими операциями, или сравнить два числа и произвести результат, который называется логической операцией.

Желаемый результат, который мы сейчас получаем, проверяется кодом формата. Он сообщает, является ли полученный результат фиксированным битовым числом (целым числом) или плавающим числом бота (десятичным числом).

Затем вывод помещается в место, называемое Регистром.

Регистры — это временные хранилища, доступные на компьютере. Они быстро доступны для процессора компьютера. Обычно это небольшой объем хранилища, но они, как правило, действуют очень быстро.Иногда они состоят из аппаратных устройств, и эти устройства могут быть доступны только для чтения или только для записи.

Регистры проверяют, была ли данная операция выполнена успешно.

Если вывод не хранится в регистрах,

время от времени сохраняется в слове состояния машины. Слово состояния машины обрабатывает постоянное пространство в памяти, а регистры — временные. Затем он определяет результат выполненной операции.

В общем, ALU состоит из пространств хранения для входных данных, предоставляемых пользователями TTE, операций, выполняемых пользователем, и выходных данных, которые извлекаются.

Накопленные результаты сохраняются в накопителе.

Накопитель обычно используется для хранения промежуточных результатов. Выполняемые операции и поток битов между ними, в свою очередь, контролируются воротами. Шлюзы контролируются последовательными логическими модулями (SLU). Они используют отдельный алгоритм или формулу для каждого работающего кода. В ALU мы также можем хранить отрицательные значения. Можно сравнить два оператора и найти здесь биты, не совпадающие друг с другом.

Арифметико-логические блоки, называемые слайсами ALU, выполняют операции с одним битом.На каждый бит операции приходится только один слайс ALU.

КОНФИГУРАЦИИ ALU

Теперь мы должны определить, как ALU взаимодействует с процессором. Каждый ALU состоит из следующих конфигураций:

• Архитектура набора команд (ISA)
• Накопитель
• Стек
• Регистр для регистрации
• Регистровый стек
• Регистровая память

АККУМУЛЯТОР:

Накопитель состоит из промежуточных результатов каждой операции.Это означает, что архитектура набора команд менее сложна, поскольку необходимо хранить только один бит (два бита на других устройствах). Также не было бы необходимости хранить пункт назначения.

Они менее сложные и, как правило, очень быстрые, но необходимо написать дополнительные коды, чтобы заполнить аккумулятор правильными значениями, чтобы сделать его более стабильным. К сожалению, накопителям очень сложно выполнять параллелизм с одним процессором. Настольный калькулятор — это пример аккумулятора.

СТЕК:

Стек — это место, где хранится последняя выполненная операция. Это небольшой реестр. Он хранит программы в порядке сверху вниз. По мере поступления новых инструкций они подталкивают к установке старых инструкций.

РЕГИСТР-РЕГИСТРАЦИЯ АРХИТЕКТУРА:

Это иначе называется машиной с 3 регистрами. Он состоит из 2 исходных инструкций, а также места для 1 инструкции назначения. Этот ISA должен быть больше по длине, чтобы содержать три операнда (2 источника и 1 место назначения).Длина слова должна быть больше, а также было бы трудно записать результаты обратно в регистры после завершения операций. В этом месте будет выполняться правило обратной записи, и поэтому это вызовет больше проблем с синхронизацией.

Хорошим примером сети регистр-регистр является компонент MIPS. Он использует два операнда для ввода и третий отдельный компонент для вывода. Для каждого из них требуется отдельная память, поэтому пространство трудно поддерживать, оно всегда должно быть премиум-класса.Кроме того, выполнение некоторых операций может быть затруднено.

РЕГИСТР — АРХИТЕКТУРА СТЕКА:

Обычно это комбинация операций Регистра и Накопителя. В архитектуре стека регистров операции, которые необходимо выполнить, помещаются в верхнюю часть стека, а результаты также сохраняются в верхней части стека.

Сложные математические операции должны быть разложены методом обратной полировки. Эта методология обратной полировки может быть сложной для некоторых программистов, тогда как для других проста, поскольку они используют концепцию двоичных деревьев для представления операндов.

Необходимо создать новое оборудование

для выполнения операций Push и Pop в дополнение к операциям, выполняемым для обнаружения и обработки ошибок, вызванных в памяти стека. (Может быть вытолкнут полный стек или вытеснен пустой стек).

Эти машины иногда называют «машинами с 0 операндами», поскольку нет необходимости выполнять какие-либо новые операции, и все происходит в одном и том же месте стека.

IA-32uses Регистр в стек для хранения плавающих значений и регистр в регистр для хранения целых чисел.Он использует регистры в качестве первого операнда и регистр или основную память в качестве второго операнда.

Накопитель сохраняет полученные результаты. Длина инструкций здесь слишком велика, что делает архитектуру слишком сложной для понимания и реализации.

Давайте возьмем AX и BX как два операнда, и мы должны их сложить. Результат также будет сохранен в AX.

РЕГИСТРАЦИЯ И ПАМЯТЬ:

Это одна из самых сложных архитектур.В этом случае один операнд поступает из внешней памяти, а другой операнд — из регистра. Причина сложности заключается в том, что каждая инструкция должна храниться в полном объеме памяти, что может быть очень длинным.

Практически эта технология не может использоваться отдельно и обычно интегрирована с технологией Регистр-Регистр.

Архитектура

CICC использует этот формат, в котором для хранения командных слов должны быть заняты полные пространства памяти.

Итак, мы рассмотрели все блоки ALU и их процедуры, связанные с памятью. Бедро это было бы немного сложно, мы должны попытаться освоить их, чтобы получить наилучшие результаты.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ALU

ПРЕИМУЩЕСТВА:

• Поддерживает параллельную архитектуру.
• Он поддерживает приложения с высокой производительностью.
• Он может комбинировать целочисленные переменные и переменные с плавающей запятой одновременно и получать желаемый результат.
• Он также может комбинировать две арифметические операции в одном коде, такие как сложение и вычитание или сложение и умножение, или любые два операнда. Например, A × B + C.
• Он имеет высокий диапазон точности
• Он может выполнять очень большой набор инструкций.
• Они расположены так равномерно, что никогда не расходятся.
• Они остаются единообразными на протяжении всей операции.
• Нет потери памяти с ALU.
• В целом это очень быстро, и результаты могут быть получены очень легко.
• Нет проблем с чувствительностью.
• Они минимизируют требования к логическому вентилю.
• Они менее дорогие, так как они вводят значения ворот.
• Их методы очень легко освоить и реализовать, чем методы других процессоров на компьютере.

НЕДОСТАТКИ:

• Понятие конвейерной обработки сложно понять.
• Объем памяти должен быть определенным. В нашем результате могут возникнуть другие ошибки.
• Их схема сложна, и поэтому непонятна любителям.
• Плавающие переменные имеют больше задержек
• Дизайн контроллера все еще труднее понять.
• Неравномерность задержек — доказанный недостаток.
• Округление — еще один недостаток, на который следует обратить внимание. Большие числа обычно округляются, что снижает точность.

РЕЗЮМЕ

• Таким образом, арифметико-логический блок используется для выполнения арифметических и логических операций.
• Он может выполнять простые арифметические вычисления и сложные арифметические вычисления, такие как интегрирование.
• В случае логических вычислений он выполняет их, используя концепцию Гейтса.
• Все, что указано в качестве входных данных, преобразуется в нули и единицы и выполняет необходимые вычисления.
• Понятия битового сдвига влево, битов сдвига вправо и переноса вперед также выполняются с использованием арифметико-логического блока (ALU).
• Регистры — это небольшие места для хранения на ЦП, которые используются для хранения промежуточных результатов.
• Стеки используются для хранения деталей недавно выполненного исполнения, и в нем используется концепция «Последним пришел — первым ушел».
• Большинство операций, выполняемых ЦП, выполняется ALU.
• Рабочий режим CPU функционирует нормально только при правильной работе ALU.
• ALU перемещает данные между процессором, регистрами и основной памятью.
• Любой диапазон памяти может быть сохранен ALU, например, 4-битная, 8-битная и 16-битная память.
• Он работает по концепции протекания тока, где 1 означает, что это активный переключатель, а 0 означает, что переключатель не активен.
• Доступно множество модулей памяти, таких как регистр-регистр, регистр-стек, накопители и так далее.
• Для того, чтобы спроектировать ворота, нам необходимо освоить рабочий процесс, чтобы они соответствовали нашим требованиям.

ВЫВОД:

Мы подробно рассмотрели логическое устройство АРИФМЕТИКИ. Мы видели, как использовать его для арифметических и логических операций. Мы также увидели различные ворота и способы их использования. Я надеюсь, что это было бы полезно для изучения концепций арифметической логической единицы. Не стесняйтесь комментировать и оставлять свои предложения, чтобы мы могли обсудить их подробнее.

СПРАВОЧНИК:

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Arithmetic_logic_unit
2. https://study.com/academy/lesson/arithmetic-logic-unit-alu-definition-design-function.html
3. https: // www.computerhope.com/jargon/a/alu.htm
4. https://www.dictionary.com/browse/alu
5. https://computersciencewiki.org/index.php/Functions_of_the_arithmetic_logic_unit_(ALU)
6. https: //www.webopedia.com/TERM/A/ALU.html

Общие компоненты ЦП — Архитектура системы — OCR — GCSE Computer Science Revision — OCR

Центральный процессор (ЦП) состоит из шести основных компонентов:

Все компоненты работают вместе, обеспечивая обработку и управление системой.

Блок управления

CU выполняет несколько функций:

Блок арифметической логики

ALU выполняет две основные функции:

• Он выполняет арифметические и логические операции (решения). ALU — это место, где производятся расчеты и принимаются решения.
• Он действует как шлюз между первичной памятью и вторичной памятью. Данные, передаваемые между ними, проходят через ALU.

ALU выполняет вычисления и принимает логические решения.

Регистры

Регистры — это небольшие объемы высокоскоростной памяти, содержащиеся в ЦП. Они используются процессором для хранения небольших объемов данных, которые необходимы во время обработки, например:

• адрес следующей инструкции, которая должна быть выполнена
• декодируемая текущая инструкция
• результаты вычислений

Разные процессоры имеют разное количество регистров для разных целей, но большинство из них имеют некоторые или все из следующих:

• счетчик программ
• регистр адреса памяти (MAR)
• регистр данных памяти (MDR)
• регистр текущих команд (CIR )
• аккумулятор (ACC)

Кэш

Кэш — это небольшой объем высокоскоростной оперативной памяти (ОЗУ), встроенной непосредственно в процессор.Он используется для временного хранения данных и инструкций, которые процессор может повторно использовать. Это позволяет ускорить обработку, поскольку процессору не нужно ждать, пока данные и инструкции будут извлечены из ОЗУ.

Часы

ЦП содержит часы, которые используются для координации всех компонентов компьютера. Часы посылают регулярный электрический импульс, который синхронизирует (удерживает во времени) все компоненты.

Частота импульсов называется тактовой частотой.Тактовая частота измеряется в герцах. Чем выше частота, тем больше инструкций может быть выполнено в любой момент времени.

В 1980-х процессоры обычно работали на частоте от 3 мегагерц (МГц) до 5 МГц, что составляет от 3 до 5 миллионов импульсов или циклов в секунду. Сегодня процессоры обычно работают на частоте от 3 гигагерц (ГГц) до 5 ГГц, что составляет от 3 до 5 миллиардов импульсов или циклов в секунду.

Автобусы

Шина — это высокоскоростное внутреннее соединение. Шины используются для передачи сигналов управления и данных между процессором и другими компонентами.

Используются шины трех типов:

• Адресная шина — передает адреса памяти от процессора к другим компонентам, таким как первичная память и устройства ввода / вывода.
• Шина данных — передает фактические данные между процессором и другими компонентами.
• Шина управления — передает управляющие сигналы от процессора к другим компонентам. Шина управления также передает импульсы часов.

Введение в ALU и тракт данных

Представление и сохранение чисел были основой работы компьютеров в прежние времена.Настоящий успех пришел, когда на свет появились вычисления, манипулирование числами, например, сложение и умножение. Эти операции обрабатываются арифметико-логическим блоком (ALU) компьютера . ALU — это математический мозг компьютера. Первым ALU был INTEL 74181, реализованный как серия 7400, представляющая собой интегральную схему TTL, которая была выпущена в 1970 году.

ALU — это цифровая схема, которая обеспечивает арифметические и логические операции. Это основной строительный блок центрального процессора компьютера.Современный процессор имеет очень мощный ALU и сложен по конструкции. Современный CPU помимо ALU содержит блок управления и набор регистров. Большинство операций выполняется одним или несколькими ALU, которые загружают данные из входного регистра. Регистры — это небольшой объем памяти, доступный ЦП. Доступ к этим регистрам можно получить очень быстро. Блок управления сообщает ALU, какую операцию выполнять с доступными данными. После вычисления / манипуляции ALU сохраняет вывод в выходном регистре.

ЦП можно разделить на две части: секцию данных и секцию управления.Раздел DATA также известен как путь к данным.

Шина:
В ранних компьютерах «ШИНА» представляла собой параллельные электрические провода с несколькими аппаратными соединениями. Следовательно, шина — это система связи, которая передает данные между компонентами внутри компьютера или между компьютерами. Он включает в себя аппаратные компоненты, такие как провода, оптические волокна и т. Д., И программное обеспечение, включая протоколы связи. Регистры, ALU и соединяющая шина вместе называются трактом данных.

Типы автобусов:

1. Адресная шина: Шины, которые используются для передачи адреса.
2. Шина данных: Шины, которые используются для передачи данных.
3. Шина управления: Если по шине передаются управляющие сигналы.
4. Шина питания: Если она передает тактовый импульс, сигналы питания, она называется шиной питания и т. Д.

Шина может быть выделенной, т. Е. Может использоваться для одной цели, или может быть мультиплексированной, т. Е. Может использоваться для нескольких целей. Когда у нас будут разные типы автобусов, будут разные типы организации автобусов.

• Счетчик программ —
  Счетчик программ (ПК) — это регистр ЦП в процессоре компьютера, который имеет адрес следующей инструкции, которая должна выполняться из памяти. По мере получения каждой инструкции программный счетчик увеличивает свое сохраненное значение на 1. Это цифровой счетчик, необходимый для более быстрого выполнения задач, а также для отслеживания текущей точки выполнения.
• Регистр команд —
  При вычислениях регистр команд (IR) является частью блока управления ЦП, который хранит инструкцию, которая в данный момент выполняется или декодируется.Регистр команд — это часть блока управления ЦП, которая хранит инструкцию, которая в данный момент выполняется или декодируется. Регистр инструкций содержит инструкции и передает их в схему декодера инструкций.
• Регистр адреса памяти —
  Регистр адреса памяти (MAR) — это регистр ЦП, в котором либо хранится адрес памяти, из которого данные будут извлекаться из ЦП, либо адрес, по которому данные будут отправлены и сохранены. Это компонент временного хранения в ЦП (центральном процессоре), который временно хранит адрес (местоположение) данных, отправленных блоком памяти, до тех пор, пока не будет выполнена инструкция для конкретных данных.
• Регистр данных памяти —
  Регистр данных памяти (MDR) — это регистр в процессоре компьютера или центральном процессоре, ЦП, который хранит данные, передаваемые в и из хранилища немедленного доступа. Регистр данных памяти (MDR) также известен как регистр буфера памяти (MBR).
• Регистр общего назначения —
  Регистры общего назначения используются для хранения временных данных в микропроцессоре. Это многоцелевой регистр.Их может использовать как программист, так и пользователь.

Организация One Bus —

В одной автобусной организации одна шина используется для нескольких целей. Набор регистров общего назначения, счетчик программ, регистр команд, регистр адреса памяти (MAR), регистр данных памяти (MDR) соединены с единой шиной. Чтение / запись в память может выполняться с помощью MAR и MDR. Счетчик программ указывает на ячейку памяти, откуда должна быть выбрана следующая инструкция.Регистр инструкций — это тот самый регистр, который будет содержать копию текущей инструкции. В случае одной автобусной организации единовременно с шины может быть прочитан только один операнд.

В результате, если требуется прочитать два операнда для операции, то операцию чтения необходимо выполнить дважды. Вот почему это немного удлиняет процесс. Одним из преимуществ организации одной шины является то, что она одна из самых простых, а также очень дешевая в реализации. В то же время недостатком является то, что он имеет только одну шину, и к этой «одной шине» обращаются все регистры общего назначения, программный счетчик, регистр команд, MAR, MDR, что делает каждую операцию последовательной.Сегодня никто не рекомендует эту архитектуру.

Организация двух автобусов —
Организация двух шин преодолевает недостаток одной организации шины, при этом была разработана другая архитектура, известная как организация двух шин. В двух автобусной организации есть два автобуса. Регистр общего назначения может читать / писать с обеих шин. В этом случае два операнда могут быть извлечены одновременно из-за двух шин. Один из операндов выборки по шине для ALU и другой выборки по шине для регистра. Ситуация возникает, когда обе шины заняты выборкой операндов, вывод может быть сохранен во временном регистре, а когда шины свободны, конкретный вывод может быть сброшен на шины.

Существует две версии организации двух шин: входящая и исходящая. С входной шины регистр общего назначения может считывать данные, а на выходную шину регистры общего назначения могут записывать данные. Здесь шины выделяются.

Организация с тремя автобусами —
В организации с тремя автобусами у нас есть три шины: OUT bus1, OUT bus2 и IN bus. Из выходных шин мы можем получить операнд, который может поступать из регистра общего назначения и оцениваться в ALU, а вывод сбрасывается на входную шину, чтобы его можно было отправить в соответствующие регистры.Эта реализация немного сложна, но быстрее по своей природе, потому что параллельно два операнда могут течь в ALU и выходить из ALU. Он был разработан, чтобы преодолеть проблему «занятого ожидания» при организации двух автобусов. В этой структуре после выполнения вывод может быть сброшен на шину без ожидания из-за наличия дополнительной шины. Структура представлена ​​на рисунке ниже.

Основные преимущества организации с несколькими шинами по сравнению с одной шиной приведены ниже.

1. Увеличение размера регистров.
2. Уменьшение количества циклов выполнения.
3. Увеличивает скорость выполнения или, можно сказать, более быстрое выполнение.

Вниманию читателя! Не прекращайте учиться сейчас. Получите все важные концепции теории CS для собеседований SDE с курсом CS Theory Course по доступной для студентов цене и будьте готовы к работе в отрасли.

Nerdfighteria Wiki — Как компьютеры вычисляют

ALU — это на самом деле два устройства в одном.Есть арифметический блок и логический блок. Начнем с арифметического устройства, которое отвечает за обработку всех числовых операций на компьютере, таких как сложение и вычитание. Он также выполняет множество других простых действий, таких как прибавление 1 к числу, которое называется операцией приращения, но мы поговорим об этом позже.

Сегодня мы собираемся сосредоточиться на pièce de résistance, сливке операций, которая подчеркивает (? ~ 1: 49) почти все, что делает компьютер: складывает два числа вместе.Мы могли бы построить эту схему полностью из отдельных транзисторов, но это очень быстро запутало бы. Поэтому вместо этого, как мы говорили в третьем эпизоде, мы можем использовать более высокий уровень абстракции и строить наши компоненты из логических ворот. (? ~ 2: 10) В этом случае логические элементы AND, OR, NOT и XOR.

Простейшая схема сложения, которую мы можем построить, берет две двоичные цифры и складывает их вместе. Итак, у нас есть два входа, A и B, и один выход, который представляет собой сумму этих двух цифр. Чтобы уточнить, A, B и выход — все одиночные биты.Есть только четыре возможных сочетания ввода. Первые три:

• 0 + 0 = 0
• 1 + 0 = 1
• 0 + 1 = 1

Помните, что в двоичном формате 1 то же самое, что и истина, а 0 то же самое. как ложь. Таким образом, этот набор входных данных точно соответствует логической логике логического элемента XOR, и мы можем использовать его как наш 1-битный сумматор. Но четвертая входная комбинация 1 + 1 — особый случай. 1 + 1 очевидно, но в двоичном формате нет двух цифр. Итак, как мы говорили о прошлом эпизоде, результат равен 0, а 1 переносится в следующий столбец.Таким образом, в двоичном формате сумма действительно равна 10. Теперь результат нашего логического элемента XOR частично правильный. 1 + 1 выводит 0, но нам нужен дополнительный выходной провод для этого бита переноса. Бит переноса истинен только тогда, когда на входе 1 и 1, потому что это единственный раз, когда результат больше, чем может сохранить один бит. И для удобства у нас есть вентиль для этого: логический элемент И, который верен только тогда, когда оба входа верны. Так что мы добавим это и в нашу схему. И это все! Эта схема называется полусумматором. Это не так уж сложно, всего два логических элемента.Но давайте абстрагируемся даже от этого уровня детализации и инкапсулируем наш почти отчеканенный полусумматор как отдельный компонент с двумя входами, битами A и B, и двумя выходами, битами SUM и CARRY. Это выводит нас на другой уровень абстракции … Мне кажется, я много говорил об этом, интересно, станет ли это чем-то особенным?

[музыка]

В любом случае, если вы хотите добавить больше 1 + 1, нам понадобится полный сумматор. Этот полусумматор оставил нам бит переноса в качестве вывода, это означает, что, когда мы перейдем к следующему столбцу в многостолбцовом сложении и каждому столбцу после этого, нам придется сложить три бита вместе, а не два. .Полный битовый сумматор сложнее. В качестве входных данных он принимает три бита, A, B и C, поэтому максимально возможный ввод равен 1 + 1 + 1, что равно 1 выполнению 1. Таким образом, нам все еще нужны только два провода переноса, SUM и CARRY.

Мы можем построить полный сумматор, используя полусумматоры. Для этого мы используем полусумматор для добавления A + B, как и раньше, но затем вводим этот результат и вводим C во второй полусумматор. Наконец, нам нужен логический элемент ИЛИ, чтобы проверить, был ли истинен один из битов переноса. Вот и все! Мы только что сделали полноценный сумматор! Опять же, мы можем подняться на уровень абстракции и заключить этот полный сумматор в отдельный компонент.Он берет три входа, складывает их и выводит СУММУ и ПЕРЕНОС, если они есть.

Вооружившись нашими новыми компонентами, мы теперь можем построить схему, которая принимает два 8-битных числа, назовем их A и B и складываем их вместе. Начнем с самого первого бита A и B, который мы назовем A0 и B0. На данный момент нет бита переноса, потому что это наше первое добавление. Таким образом, мы можем использовать наш полусумматор, чтобы сложить эти два бита вместе. На выходе будет SUM0. Теперь мы хотим сложить A1 и B1 вместе.Возможно, произошел перенос из предыдущего добавления A0 и B0, поэтому на этот раз нам нужно использовать полный сумматор, который также вводит бит переноса. Мы выводим этот результат как SUM1. Затем мы берем любой перенос из этого полного сумматора и запускаем его в следующий полный сумматор, который обрабатывает A2 и B2. И мы просто продолжаем делать это в большой цепочке, поэтому все 8 бит были добавлены. Обратите внимание, как биты переноса передаются каждому последующему сумматору. По этой причине он называется 8-битным сумматором с переносом пульсации. Обратите внимание, как у нашего последнего полного сумматора есть вынос.Если есть перенос в девятый бит, это означает, что сумма двух чисел слишком велика, чтобы уместиться в восьми битах. Это называется переполнением. Как правило, переполнение происходит, когда результат сложения слишком велик, чтобы его можно было представить числом используемых битов. Обычно это может вызвать ошибки и непредвиденное поведение.

Как известно, оригинальная аркадная игра PacMan использовала 8 бит, чтобы отслеживать, на каком уровне вы находитесь. Это означало, что если вы прошли уровень 255, самое большое число, которое можно сохранить в 8 битах, до уровня 256, ALU переполнился.Это вызвало кучу ошибок и глюков, что делало уровень непревзойденным. Ошибка стала правом прохода для величайших игроков PacMan. Поэтому, если мы хотим избежать переполнения, мы можем расширить нашу схему дополнительными полными сумматорами, что позволит нам добавлять 16- или 32-битные числа. Это снижает вероятность переполнения, но за счет большего количества ворот. Дополнительным недостатком является то, что каждому переносу требуется немного времени (? ~ 6: 18), чтобы переместиться вперед. Правда, времени не очень. Электроны движутся довольно быстро, поэтому мы говорим о миллиардных долях секунды, но этого достаточно, чтобы изменить ситуацию в сегодняшних быстрых компьютерах.По этой причине современные компьютеры используют немного другую схему сложения, называемую сумматором с упреждающим переносом, который работает быстрее, но в конечном итоге делает то же самое: складывает двоичные числа.

Арифметический блок ALU также имеет схемы для других математических операций, и в целом эти восемь операций всегда поддерживаются. И, как и наш сумматор, эти другие операции строятся из отдельных логических вентилей. Интересно, что вы могли заметить, что здесь нет операций умножения и деления.Это потому, что простые ALU не имеют схемы для этого, а вместо этого просто выполняют серию добавлений. Допустим, вы хотите умножить 12 на 5. Это то же самое, что прибавить 12 к себе 5 раз. Таким образом, для этого одного умножения потребуется пять проходов через ALU. И вот сколько простых процессоров, вроде тех, что есть в вашем термостате, пульте от телевизора и микроволновке, нужно умножить. Это медленно, но выполняет свою работу. Однако более изощренные процессоры, например, в вашем ноутбуке или смартфоне, имеют арифметические устройства с выделенными схемами для умножения, и, как вы могли догадаться, схема более сложная, чем сложение.Это не волшебство, просто требуется гораздо больше логических вентилей, поэтому менее дорогие процессоры не имеют этой функции.

Что такое арифметико-логическая единица (АЛУ)?

Что означает арифметико-логическая единица (ALU)?

Арифметико-логический блок (АЛУ) является основным компонентом центрального процессора компьютерной системы. Он выполняет все процессы, связанные с арифметическими и логическими операциями, которые должны выполняться над командными словами. В некоторых архитектурах микропроцессоров ALU разделен на арифметический блок (AU) и логический блок (LU).

Инженеры могут спроектировать АЛУ для расчета любой операции. По мере усложнения операций ALU также становится дороже, занимает больше места в ЦП и рассеивает больше тепла. Вот почему инженеры делают ALU достаточно мощным, чтобы гарантировать, что ЦП также будет мощным и быстрым, но не настолько сложным, чтобы стать непомерно дорогим с точки зрения стоимости и другими недостатками.

Арифметико-логический блок также известен как целочисленный блок (IU).

Techopedia объясняет арифметико-логический блок (ALU)

Арифметико-логический блок — это часть ЦП, которая обрабатывает все вычисления, которые могут потребоваться ЦП.Большинство этих операций имеют логический характер. В зависимости от того, как спроектирован ALU, он может сделать процессор более мощным, но он также потребляет больше энергии и выделяет больше тепла. Следовательно, должен быть баланс между тем, насколько мощным и сложным является ALU, и насколько дорогим становится все устройство. Вот почему более быстрые процессоры дороже, потребляют больше энергии и рассеивают больше тепла.

Основными функциями ALU являются арифметические и логические операции, включая операции сдвига битов.Это важные процессы, которые необходимо выполнять практически с любыми данными, обрабатываемыми ЦП.

ALU обычно выполняют следующие операции:

• Логические операции: к ним относятся AND, OR, NOT, XOR, NOR, NAND и т. Д.
• Операции битового сдвига: это относится к смещению позиций битов на определенное количество разрядов вправо или влево, что считается операцией умножения.
• Арифметические операции: это относится к сложению и вычитанию битов.Хотя иногда используются умножение и деление, выполнение этих операций обходится дороже. Сложение можно использовать для замены умножения и вычитания для деления.

Опрос

: Почему все еще существует гендерный разрыв в технологиях?

Вы работаете в сфере высоких технологий? Помогите нам узнать больше о том, почему
Гендерный разрыв все еще существует в сфере технологий, если принять участие в этом быстром опросе!
Респонденты также будут участвовать в розыгрыше подарочной карты Amazon на 100 долларов!

.