Процессор алу и уу: Что такое арифметико-логическое устройство (АЛУ) :: SYL.ru

Что такое арифметико-логическое устройство (АЛУ) :: SYL.ru

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

Определение понятия

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

Современное многофункциональное АЛУ состоит сегодня из двух частей:

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

Набор выполняемых операций

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

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

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

Классификация АЛУ

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

По способу представления информации:

• С плавающей запятой.
• С фиксированной запятой.

По способу действий с операндами:

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

По применению систем исчисления:

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

По особенностям использования узлов и элементов:

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

По временным характеристикам:

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

По характеристике устройства управления:

• Имеющие микропрограммное управление.
• С жесткой логикой УУ.

Основные функции

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

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

Главные количественные характеристики

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

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

Главные качественные характеристики

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

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

История возникновения

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

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

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

Внутреннее устройство АЛУ

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

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

При этом условно состав АЛУ также подвергается следующей градации:

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

Сами микрокоманды делятся на две категории:

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

Функции регистров АЛУ

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

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

Теперь предлагаем вам обратиться к конкретным алгоритмам работы АЛУ.

Операция сложения

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

Теперь распишем арифметическую операцию по тактам:

1. Значение операнда № 1, участвующего в операции сложения, поступает в Регистр 1 по кодовой шине.
2. Значение операнда № 2, участвующего в операции сложения, поступает в Регистр 2 по кодовой шине.
3. Соответственно, по кодовой шине инструкций в схему управления поступает инструкция по выполнению данной операции.
4. Данные из регистров уходят в сумматор. Далее схема управления уже дает команду на выполнение сложения.
5. Результат по произведенной операции уходит в Регистр 1.
6. Результат операции арифметико-логического устройства далее поступает в результирующий блок.

Операция вычитания

Давайте рассмотрим выполнение еще одной простой арифметической операции:

1. Значение операнда № 1, принимающего участие в операции вычитания, проходит в Регистр 1 по кодовой шине.
2. Значение операнда № 2, принимающего участие в операции вычитания, проходит в Регистр 2 по кодовой шине.
3. Инструкция по выполнению данного алгоритма выводится по кодовой шине инструкций к схеме управления.
4. Происходит переформирование положительного числа в отрицательное схемой управления.
5. Результат такого преобразования операнда идет далее в сумматор.
6. Сумматор выполняет сложение данных чисел.
7. Результат операции поступает в Регистр 1.
8. Результат операции вычитания отправляется в результирующий блок.

Операции в устройстве

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

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

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

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — что это?

Как известно, процессор компьютера состоит из четырех базовых компонентов: арифметико-логического устройства, модуля ввода/вывода, а также блоков памяти и управления. Такую архитектуру определили еще в прошлом веке и, несмотря на то что прошло немало времени, классическая структура фон Неймана остается актуальной.

Что такое АЛУ?

Арифметико-логическое устройство – это один из компонентов процессора, который необходим для осуществления преобразований логического и арифметического типа, начиная элементарными и заканчивая сложными выражениями. Разрядность используемых операндов принято считать длиной слова, или размером.

Главная задача АЛУ заключается в переработке данных, хранящихся в оперативной памяти компьютера. Кроме того, арифметико-логическое устройство способно производить сигналы управления, которые направляют ЭВМ на выбор правильного пути для выполнения необходимого вычислительного процесса в зависимости от итоговых типов данных. Все операции задействуют электронные схемы, каждая из которых структурно делится на тысячи элементов. Такие платы обычно быстродейственные и отличаются высокой плотностью.

В зависимости от сигналов, которые поступают на вход, АЛУ выполняют разные типы операций с двумя числами. Любое арифметико-логическое устройство компьютера предусматривает реализацию четырех базовых действий, сдвигов, а также логических преобразований. Набор операций АЛУ – это его главная характеристика.

Составные части арифметико-логического устройства – это четыре основные группы узлов, которые соответствуют процессам управления, передачи, хранения и преобразования поступающих данных.

Узлы хранения АЛУ

К этой категории относятся:

• триггеры, хранящие вспомогательные биты и разные признаки результатов;
• регистры, отвечающие за целостность операндов, промежуточных и конечных итогов.

Иногда регистры арифметико-логического устройства могут объединяться в специализированный блок памяти, а триггеры — формировать единый регистр состояния.

Узлы передачи АЛУ

К этой категории относятся:

• шины, соединяющие между собой блоки устройства;
• мультиплексоры и вентили, отвечающие за выбор правильного направления выполнения операций.

Узлы преобразования АЛУ

Сюда относятся:

• сумматоры, выполняющие микрооперации;
• схемы выполнения логических действий;
• сдвигатели;
• корректоры для десятичной арифметики;
• преобразователи кода, использующиеся для получения обратных или дополнительных данных;
• счетчики для подсчета количества выполненных циклов и для реализации вспомогательных преобразований.

Узлы управления АЛУ

К этой категории объектов относятся:

• контрольный блок;
• дешифратор сигналов;
• схемы преобразования логических признаков, необходимые для формирования ветвей для выполнения микропрограмм.

Действие устройства управления процессора

Этот блок отвечает за выработку последовательности функциональных сигналов, нужной для корректного выполнения заданной команды. Как правило, такие преобразования реализуются за несколько тактов.

Управляющее устройство обеспечивает автоматическое выполнение программы. При этом задействуются необходимые координированные ответвления работы прочих составляющих компонентов машины.

За действие устройства управления отвечает базовый принцип микропрограммирования, имеющий четкое число характеристик.

Классификация АЛУ

Арифметико-логические устройства по способу оперирования переменными делят на параллельные и последовательные. Главное отличие между этими АЛУ заключается в способе представления операндов и выполнения операций.

По характеру использования арифметико-логические устройства делят на многофункциональные и блочные. В АЛУ первого типа для выполнения операций с различными формами преставления чисел используются одни и те же схемы, которые приспосабливаются к затребованному режиму работы с данными. В блочных устройствах все операции выполняются через распределение по видам данных. Для действий с десятичными числами, цифровыми и алфавитными полями, цифрами с плавающей или фиксированной точкой используются различные схемы. При этом арифметико-логическое устройство работает намного быстрее благодаря параллельному выполнению заданных задач. Но у них есть и недостаток – увеличенные затраты на поддержку оборудования.

Арифметико-логическое устройство по способу представления может использоваться для:

• десятичных чисел;
• чисел с плавающей точкой;
• чисел с фиксированной точкой.

Операции устройства

Структура АЛУ предполагает выполнение действий через логические функции, которые делятся на такие группы:

• десятичная арифметика;
• двоичная арифметика для цифр с четко обозначенной точкой;
• шестнадцатеричная арифметика для выражений с плавающим разделителем;
• модификация адресов команд;
• операции логического типа;
• преобразование алфавитно-цифровых полей;
• специальная арифметика.

Современные электронно-вычислительные машины способны реализовать все вышеупомянутые типы активности, а микроЭВМ не имеют такого базового функционала, поэтому наиболее сложные процедуры выполняют через подключение небольших подпрограмм.

Арифметические операции и логические процедуры

Все действия АЛУ можно условно разделить на несколько групп.

Арифметические операции включают в себя деление, умножение, вычитание модулей, обычное вычитание и сложение.

К группе логических преобразований причисляют логическое «и» и «или», то есть конъюнкцию и дизъюнкцию, а также сравнение данных на равенство. Такие процедуры, как правило, проводят над двоичными словами, состоящими из множества разрядов.

К специальным арифметическим операциям относятся нормализация, логический и арифметический сдвиги. Между этими преобразованиями есть существенная разница. Если при арифметическом сдвиге в местоположении меняют лишь цифровые разряды, то при логическом знаковый разряд присоединяется к движению.

Каждую операцию, которая происходит посредством использования арифметико-логического устройства, можно назвать последовательностью функций логического типа, которые описываются многоразрядной логикой для электронно-вычислительных машин. К примеру, для двоичных ЭВМ используется двоичная логика и так далее, вплоть до десятеричной системы.

Абсолютно у всех арифметико-логических преобразований есть собственные операнды, а результаты на выходе трактуются как битовые строки с шестнадцатью разрядами. Исключением являются лишь примитивы знакового деления DIVS. А разнообразные флаги позволяют трактовать данные на выходе как цифры со знаком минус или плюс при переполнении. Логика преобразования битов строится на арифметике по модулю. Флаг ставится, если произошли непредсказуемые изменения со знаком. К примеру, складывая два положительных числа, вы должны получить результат со знаком «+». Но если происходит перенос в знаковый бит, устанавливающий единицу, а итог получается отрицательным, то устанавливается флаг переполнения.

Логика бита переноса базируется на беззнаковой арифметике. Этот флаг устанавливается системой, если сгенерированный перенос из старшего разряда не может быть записан как результат. Этот бит АЛУ очень эффективен при использовании преобразований с многословными представлениями.

Заключение

Арифметико-логическое устройство используется для выполнения логических и арифметических преобразований над необходимыми операндами, в роли которых часто выступают команды или коды чисел. После выполнения действия результат вновь поступает в запоминающее устройство для использования в следующих вычислениях.

расшифровка, определение и принцип работы

Как все мы знаем из школьного курса информатики, в основе любого CPU лежит четыре основные составляющие: арифметико-логического устройства или сокращенно АЛУ, модуля ввода-вывода, а также блока управления и памяти.

Эта архитектура была разработана величайшим математиком всех времен и народов Джоном фон Найманом и легла в основу первого созданного центрального процессора. С тех пор CPU претерпел множество доработок и модернизаций, однако, базовый принцип его построения остался нетронутым.

Определение

АЛУ — это один из узлов ЦП, который отвечает за реализацию всех логических и арифметических преобразований различных уровней сложности, которые протекают в электронно-вычислительной машине. В качестве выполняемых операций используются операнды, длина которых соответствует длине слова или его размеру.

Главным предназначением этого узла является обработка данных, которые находятся в оперативно запоминающем устройстве компьютера. Помимо этого, АЛУ генерирует управляющие сигналы, которые являются для электронно-вычислительной машины своего рода инструкциями, указывающими что необходимо делать с определенным набором данных. Каждая из операций, происходящих в процессоре, выполняется при помощи электронных схем, которые могут состоять из нескольких тысяч электронных элементов, установленных очень плотно друг к другу.

Поступающие на вход АЛУ электронные сигналы генерируют определенный тип обработки данных, выраженных в двоичной системе исчисления. Всего существует четыре разновидности заданных типов действий, которыми способен работать этот узел центрального процессора. Таким образом, количество базовых операций является основной характеристикой этого узла процессора.

В свою очередь, для выполнения определенной операции с данными, в АЛУ реализовано четыре элемента, на каждый из которых возложено выполнение определенных задач: управление, передача, хранение и преобразование данных, поступающих на вход узла из оперативной памяти.

Узлы хранения

К этой составляющей относятся следующие электронные элементы:
— триггеры, отвечающие за хранение вспомогательных данных и конечных результатов, необходимых для выполнения различных процессов;
— регистры, основным предназначением которых является сохранение целостной структуры аргументов операций промежуточных и конечных результатов.
В некоторых случаях совокупность регистров может выступать в качестве блока памяти, а триггеры — в качестве общего регистра состояния.

Узлы передачи

Составляющей этого узла центрального процессора являются:
— шины, отвечающие за объединение блоков АЛУ и их обоюдное взаимодействие;
— мультиплексоры и вентили, благодаря которым задается нужное направление выполняемых преобразований.

Узлы преобразования

Элементами этого узла выступают:

— сумматоры, отвечающие за выполнение микроопераций;
— сдвигатели;
— схемы выполнения логических операций;
— корректоры для десятичной арифметики;
— преобразователи кода, которые принимают участие в операциях с обратными и дополнительными данными, которые могут потребоваться в процессе преобразования;
— счетчики, осуществляющие подсчет завершенных циклов преобразования данных.

Узлы управления

Основными элементами узла управления являются:

— контрольный блок;
— дешифратор сигналов;
— схемы преобразования логических признаков, которые формируют ветви выполнения заданных команд.

Принцип работы

В процессе работы CPU, в рассматриваемом нами узле создаются электронные сигналы, подаваемые на другие узлы ЦП строго в определенной последовательности, которые необходимы для выполнения поставленной задачи. Этот процесс осуществляется поэтапно и состоит из нескольких тактов.
Управляющее устройство отвечает за выполнение программ в автоматическом режиме, однако, в процессе его работы могут применяться прерывания, необходимые для вовлечения в работу прочих узлов процессора. Работа устройства управления возможно благодаря основному принципу микропрограммирования, который обладает определенным набором характеристик.

Разновидности арифметико-логического устройства

В зависимости от принципа работы и метода обработки массивов данных АЛУ можно разделить на две категории: последовательные и параллельные. Эти категории различаются методами представления элементов операций и их реализации.

Помимо этого, существует еще классификация АЛУ по характеру использования, в которой этот узел подразделяется на блочные и многофункциональные. Для первого типа характерно распределение данных по однотипным блокам и последующее их выполнение. В процессе работы второго типа для обработки данных задействуются все имеющиеся микросхемы, которые, в свою очередь, могут приспосабливаться под различные типы данных. За обработку различных видов данных отвечают определенные микросхемы.

При этом высокая скорость работы АЛУ достигается благодаря тому, что все задачи выполняются в параллельном режиме, что обеспечивает их многозадачность, однако, такой принцип работы сопровождается и большим энергопотреблением. По способу представления данных, АЛУ могут использоваться для работы с десятичными числами, а также числами, использующими плавающую или фиксированную запятую.

Арифметические операции и логические процедуры

Все процессы, происходящие в узле арифметико-логических преобразований, можно подразделить на несколько категорий. Арифметические операции представляют собой основные математические операции такие как деление, умножение, вычитание модулей, обычное вычитание и сложение.
Для категории логических преобразований характерны операции конъюнкции, которые сопоставимы с союзом «и», дизъюнкции — сопоставимой с логической операций, смысл которой приближен к союзу «или», а также операции сравнения различных данных на предмет равенства. Чаще всего в логических преобразованиях используются двоичные слова, в состав которых входят множественные разряды.

Любую операцию, происходящую в АЛУ, можно представить в виде строгой последовательности логических функций, выраженных при помощи многоразрядной электронно-вычислительной логики. Например, для двоичных электронно-вычислительных систем применяется и аналогичный тип логики и так до десятичной системы.

В любом преобразовании данных, происходящем в арифметико-логическом устройстве, присутствуют свои аргументы операции, а конечные результаты обработки данных выражаются в виде шестнадцатиразрядных битовых строк. Обработанные во время преобразования данные, выражаются в цифровом виде со знаком плюс или минус, в зависимости от наличия переполнения, при помощи специальных флагов, которые используются при непредсказуемых изменениях знака, который выражается в виде отдельного бита. Логика переноса бита между системами различных разрядов происходит по принципу беззнаковой арифметики. Таким образом, система присваивает знак плюс в том случае, если обрабатываемые данные в старшем разряде не могут быть выражены конечным результатом в младшем разряде.

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Арифметико-логическое устройство

Аннотация: Рассматриваются особенности реализации арифметико-логического устройства компьютера на примере проектирования АЛУ для умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя.

Классическая ЭВМ состоит из трех основных устройств: арифметико-логического устройства, устройства управления и запоминающего устройства. Рассмотрим особенности организации этих устройств. Прежде всего, рассмотрим структуру арифметико-логического устройства.

В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство не является самостоятельным схемотехническим блоком. Оно входит в состав микропроцессора, на котором строится компьютер. Однако знание структуры и принципов работы АЛУ весьма важно для понимания работы компьютера в целом. Для лучшего понимания этих вопросов проведем синтез арифметического устройства, предназначенного для выполнения только одной операции – умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя [13] . В ходе этого процесса также обратим внимание на особенности использования рассмотренных выше основных схемотехнических элементов ЭВМ.

Синтез АЛУ проходит в несколько этапов. Сначала необходимо выбрать метод, по которому предполагается выполнение операции, и составить алгоритм соответствующих действий. Исходя из алгоритма и формата исходных данных, следует определить набор составляющих АЛУ элементов. Затем требуется определить связи между элементами, установить порядок функционирования устройства и временную диаграмму управляющих сигналов, которые должны быть поданы на АЛУ от устройства управления.

Пусть операнды имеют вид:

[X]пк = x0x1x2…xn
[Y]пк = y0y1y2…yn

где x₀, y₀ – знаковые разряды.

Операция умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя выполняется по следующей формуле:

Алгоритм вычислений представлен на
рис.
3.1

Рис.
3.1.
Алгоритм операции умножения чисел с фиксированной запятой, заданных в прямом коде, со старших разрядов множителя

Каждой переменной, представленной в алгоритме, в схеме должен соответствовать элемент хранения. Разрядность модуля произведения равна сумме разрядностей сомножителей. Умножение двоичного числа на 2^-i обеспечивается сдвигом этого числа вправо на соответствующее количество разрядов. Переход к анализу очередного разряда множителя ( i = i + 1 ) может быть обеспечен сдвигом регистра множителя на один разряд в сторону старших разрядов.

Исходя из этого, определим состав оборудования, необходимого для реализации АЛУ заданного типа для n = 4 (
таблица
3.1).

Структурная схема устройства представлена на
рис.
3.2.

1.4. Процессор и его характеристики – Opiq

   Разрядность процессора – величина, определяющая количество информации, которое центральный процессор способен обработать за один такт. Наименьший разряд единицы информации – двоичный. В мире ЭВМ один разряд называется битом (bit – часть). Если ЭВМ за один раз может обработать восемь разрядов, тогда процессор считается 8-разрядным, если 32 разряда, процессор называется 32-разрядным. Чем выше разрядность процессора, тем быстрее идет обработка данных.

   Частота процессора (frequency). Важной характеристикой, влияющей на функциональность процессора, является тактовая частота. Она измеряется в мегагерцах. Один мегагерц – это миллион тактов в секунду. 100 МГц – сто миллионов тактов в секунду. За один такт процессор вычисляет какой-нибудь фрагмент. Поэтому, чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор обработает поступившие данные.

   Кеш-память процессора. Данные, обрабатываемые процессором, поступают из оперативной памяти. Как правило, процессор у себя ничего не хранит. В нем очень мало ячеек, в которых обрабатываются данные. Эти ячейки называются регистрами. Для облегчения работы процессора долгое время используется технология кеширования. Кеш – это промежуточный буфер с быстрым доступом. Когда какие-то данные обрабатываются в основной памяти, их копия попадает в кеш-память. В случае повторного использования этих данных, их сразу можно извлечь из буфера. Если какие-либо данные нужны процессору, он, в первую очередь, проверяет регистры. Если нужных данных в регистрах нет, то процессор проверяет кеш-память. Если этих данных нет в кеш-памяти, процессор проверяет оперативную память. Если же и в оперативной памяти нет нужных данных, процессор делает запрос HDD-диску.

АЛУ на 12 транзисторах (на самом деле нет) / Хабр

Что можно сделать на 12 транзисторах? Если схема аналоговая, это может быть, например, радиоприёмник или усилитель с достойными характеристиками. Для цифровой же схемы это катастрофически мало. Даже в такой простой микросхеме, как АЛУ К155ИП3 (74181), их значительно больше.

На самом деле транзисторов и здесь не 12, а 27, но из них в собственно АЛУ используются только 11 (двенадцатый транзистор, принудительно подающий логический нуль на вход переноса при выборе логических операций, не установлен). Остальные транзисторы задействованы в формирователе сигналов, подаваемых на входы АЛУ. При включении АЛУ в состав транзисторного процессора формирователь может и не понадобиться, если все необходимые сигналы там уже сформированы.

Как уложиться в это количество? Во-первых, сделать АЛУ однобитным, во-вторых, сократить количество операций до двух арифметических и пяти логических (у К155ИП3 и тех и других по 16, но и здесь их на самом деле больше), в третьих…

… выполнить АЛУ по необычной технологии DCTL (direct coupled transistor logic), позволяющей заметно сократить количество компонентов.

Симуляция выполнена в Falstad, этот симулятор удобен тем, что показывает направление протекания тока в виде «бегущих огней». Файлы: только полный сумматор и готовый АЛУ.

Для начала построим «АЛУ» с одной функцией — полный сумматор. Разобьём схему на две половины. Первая предназначена для подготовки входных сигналов для сумматора:

Выключателями можно задать два однобитных числа — A и B и сигнал переноса. Из них схема формирует четыре сигнала (четвёртый — тот же самый B, только инвертированный).

Вторая половина схемы — собственно сумматор:

Он представляет собой реализацию классического полного сумматора. На структурной схеме дополнительно показано распределение транзисторов по логическим элементам:

Чтобы всё это превратить в многофункциональное АЛУ, сначала переделаем формирователь входных сигналов таким образом, чтобы она формировала в прямом и инвертированном виде не только величину B, но и величину A:

Но поскольку автор планирует применить своё АЛУ в составе процессора на дискретных компонентах, такой формирователь, может и не потребоваться: там обе величины и так будут в прямом и инвертированном виде. Поэтому транзисторы формирователя и не входят в число транзисторов АЛУ. Да и без процессора можно просто взять переключатели с перекидными контактами. Ну а теперь — собственно АЛУ:

Четырьмя выключателями можно выбирать выполняемую АЛУ функцию. Ниже показаны только 7 основных:

Чтобы АЛУ не было «сферическим в вакууме», а могло получать сигналы извне, выключатели нужно заменить транзисторами. Поскольку транзистора, принудительно подающего логический нуль на вход переноса при выборе логических функций, пока нет, подавать нуль на этот вход в таких случаях нужно вручную.

Хотя на рисунке показаны всего 7 функций, можно попробовать все 16 сочетаний положений выключателей. Будут получаться, в частности, функции И-НЕ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ, пропускание сигнала B насквозь, инвертирование того же сигнала.

Симуляция может преподносить сюрпризы. Знаете ли вы, что биполярный транзистор может работать при пропускании через него тока в обратном направлении? Так получается при некоторых сочетаниях входных сигналов. В аналоговом усилителе при этом уменьшается коэффициент усиления, но логические схемы продолжают работать так же, как в нормальном режиме.

Напряжение питания составляет +5 В. В симуляторе выбраны транзисторы общего применения структуры NPN.

Сумматор получается со сквозным переносом. Сигналу переноса приходится проходить через транзистора T8 и T9. Если это слишком медленно, нужно сначала проверить, как влияет на работу схемы цепь, подключённая к эмиттеру транзистора T8. Перенос можно также сделать быстрее, если выполнять его для двух бит одновременно.

Если нужен только полный сумматор, подойдёт и обычная диодно-транзисторная логика (DTL). Транзисторов понадобится всего два, а вот диодов… Можно заменить эти транзисторы лампами, получится то, что автор называет DVTL — diode-vacuum-tube-logic.

Верхняя часть схемы вырабатывает инвертированный сигнал переноса. Вторая вычисляет инвертированную сумму: СУММА = ( ( A или B или C вх ) и /C вых ). Данное выражение может быть представлено также как ( A и B и C вх ).

Структурная схема получается следующей:

Добавив ещё немного компонентов, можно принудительно подавать на вход переноса нуль или единицу. Тогда схема сможет выполнять операцию И (на входе переноса единица, на инвертированном выходе переноса — нуль), а также ИЛИ (на входе переноса нуль, на инвертированном выходе переноса — единица).

Чтобы подать сигнал «инвертированный C вых» на вход «C вх» схемы для следующего бита, нужен транзисторный инвертор. Либо можно принять правило, согласно которому между битами чередуется прямая и инверсная логика.

Всё это можно превратить в действующее АЛУ, рассчитав номиналы резисторов и добавив дополнительные компоненты для оптимизации «отзывчивости» схемы. Устройства, подключённые к входам, должны содержать ключи, замыкающие их на землю (для входов диодных «И»), либо соединяющие их с плюсом питания (для входов диодных «ИЛИ»).

Это очень простая схема, в ней не реализован быстрый перенос.

Арифметико-логическое устройство — Студопедия

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) процессора используется для вы­полнения всех математических операций в программе. Эти операции включа­ют сложение, вычитание, логическое И, логическое ИЛИ, сдвиг содержи­мого регистров и установку содержимого регистра состояния в соответствии с полученными результатами. АЛУ не используется при чтении или записи данных или команд, оно служит только для обработки данных.

АЛУ можно представить как аппаратный блок, который обрабатывает два слова данных (операнды) и сохраняет полученный результат (рис. 2.17). Как вводятся операнды в АЛУ и куда поступает результат — зависит от конкрет­ного типа микроконтроллера. В этом состоит одно из основных различий между разными типами процессоров и их системами команд. Некоторые микроконтроллеры выбирают один операнд из регистра-аккумулятора и сохраняют результат также в аккумуляторе. Другие микроконтроллеры позволяют ис­пользовать различные источники операндов и места размещения результатов.

Рис. 2.17 — Структура АЛУ

АЛУ обычно работают только с положительными целыми числами. Одна­ко при выполнении вычитания получаются отрицательные числа, если вы­читаемое больше уменьшаемого. Для представления отрицательных чисел ис­пользуется дополнительный код («дополнение до двух»). Это необходимо учитывать при знакомстве с работой АЛУ.

Рассмотрим, как выполняется команда вычитания на примере микрокон­троллера Microchip PIC. Вместо вычитания одного числа из другого, проис­ходит добавление отрицательного числа:

А — В = А + (-В).

где отрицательное число -В представляется в дополнительном коде. Чтобы получить дополнительный код отрицательного двоичного числа, необходимо инвертировать значение каждого бита, а затем прибавить единицу:

Если есть схема преобразования отрицательных чисел в дополнительный код, то нет необходимости использовать схему вычитания. Достаточно иметь в составе АЛУ сумматор, который реализует вычитание с помощью следую­щей замены:

.

Этот метод выполнения вычитания может вызвать некоторые затрудне­ния при анализе полученного результата, если учитывать флаг переноса, ус­танавливаемый в результате сложения и вычитания.

В «классических» АЛУ, которые имеют сумматор и вычитатель, часто ис­пользуется общий флаг «переноса-заема». Этот флаг устанавливается в 1, когда результат сложения больше, чем 00FFh или результат вычитания меньше нуля. В обоих случаях флаг используется для указания того, что значение 8-и старших бит результата зависят от результата, полученного при операции над 8-ю младшими битами.

Если АЛУ не содержит вычитателя (как и приведенном выше примере), то флаг переноса также устанавливается после сложения или вычитания, но он имеет другое значение. Чтобы понять это, рассмотрим пару примеров. Первый пример показывает, что происходит, когда одно число вычитается из другого числа, которое больше первого:

0077h – 0055h = 0077h + (-0055h) = 0077h + 00AAh + 1 = 0122h

Результат получился больше, чем 00FF, что приводит к установке флага переноса I в младшем бите старшего байта (флаг переноса/заема в этом слу­чае не равен 1). Младшие восемь бит равны 22h (что и ожидалось) — это значение будет записано в качестве результата в приемник

Следующий пример иллюстрирует ситуацию, когда большее число вычи­тается из меньшего числа:

0055h – 0077h = 0055h + (-0077h) = 0055h + 0088h + 1 = 00DEh

В этом примере младшие 8 разрядов представляют число 22 в дополни­тельном коде (что и ожидалось), а бит переноса в старший байт (флаг пере­носа) равен 0. такой как ожидалось. В «классическом» АЛУ для данного при­мера результат также будет иметь значение 00DEh , но установится флаг заема-переноса равный 1.

Нетрудно заметить, что в АЛУ, не использующем вычитатель. флаг пере­носа устанавливается в 1, когда результат вычитания положительный, и сбра­сывается в 0. когда результат отрицательный. Поэтому формируемый бит переноса в старший байт в этом случае можно было бы назвать флагом «пе­ренос-знак», так как при вычитании он указывает знак результата.

Необходимо иметь в виду, что различные представители одного семей­ства микроконтроллеров обычно имеют одинаковые АЛУ. В некоторых семей­ствах АЛУ реализуют определенные операции, например, умножение, кото­рые не выполняются микроконтроллерами других семейств. Дополнительные функции, которые обеспечивают различные микроконтроллеры одного се­мейства, реализуются путем включения в их структуру дополнительных ап­паратных средств, аналогично периферийным устройствам. При этом струк­тура и функции АЛУ сохраняются, так как вводимые в микроконтроллер дополнительные устройства используют свои регистры, которые не связаны с регистром состояния и аккумуляторами. Наглядным примером этого явля­ется семейство 8-разрядных микроконтроллеров 68НС05, выпускаемых фир­мой Motorola.

Сложность АЛУ во многом определяет сложность всего микроконтролле­ра в целом. Часто над созданием АЛУ работает группа разработчиков, сравнимая по составу с той, которая работает над остальной частью микропро­цессора или микроконтроллера (и даже большая, когда разрабатывается про­цессор аналогичный по сложности персональному компьютеру). От того, как работает АЛУ, зависит функционирование процессора, входящего в состав микроконтроллера, а значит и функционирование всего микроконтроллера.

ALU (Арифметическая логическая единица) Определение

означает «Арифметическая логическая единица». ALU — это интегральная схема в CPU или GPU, которая выполняет арифметические и логические операции. Арифметические инструкции включают операции сложения, вычитания и сдвига, а логические инструкции включают логические сравнения, такие как операции AND, OR, XOR и NOT.

ALU предназначены для выполнения целочисленных вычислений. Поэтому, помимо сложения и вычитания чисел, ALU часто обрабатывают умножение двух целых чисел, поскольку результат также является целым числом.Однако ALU обычно не выполняют операции деления, так как результатом может быть дробная часть или число с плавающей запятой. Вместо этого операции деления обычно обрабатываются блоком с плавающей запятой (FPU), который также выполняет другие нецелочисленные вычисления.

Хотя ALU является фундаментальным компонентом всех процессоров, конструкция и функции ALU могут различаться в зависимости от модели процессора. Например, некоторые ALU выполняют только целочисленные вычисления, в то время как другие также предназначены для обработки операций с плавающей запятой.Некоторые процессоры содержат один ALU, в то время как другие включают несколько арифметико-логических блоков, которые работают вместе для выполнения вычислений. Независимо от того, как спроектирован ALU, его основная задача — обрабатывать целочисленные операции. Следовательно, целочисленная производительность компьютера напрямую связана со скоростью обработки ALU.

Обновлено: 24 марта 2011 г.

TechTerms — Компьютерный словарь технических терминов

Эта страница содержит техническое определение ALU. Он объясняет в компьютерной терминологии, что означает ALU, и является одним из многих терминов по аппаратному обеспечению в словаре TechTerms.

Все определения на веб-сайте TechTerms составлены так, чтобы быть технически точными, но также простыми для понимания. Если вы найдете это определение ALU полезным, вы можете сослаться на него, используя приведенные выше ссылки для цитирования. Если вы считаете, что термин следует обновить или добавить в словарь TechTerms, напишите в TechTerms!

.

регистров и ALU

регистров и ALU

Ответ:

$ 0

Битовый шаблон 0x00000000 так часто встречается на машинном языке
этот регистр $ 0 подключен к постоянному хранению.
Этот битовый шаблон представляет собой целое число ноль, очень распространенное целое число.
Он также представляет собой нулевой , который используется для обозначения конца
символьные строки и часто используются при построении структур данных.

В
арифметико-логический блок (АЛУ)
процессора выполняет целочисленную арифметику
и логические операции.
Например, одна из его операций —
сложите два 32-битных целых числа.
Целое число, используемое в качестве входных данных для операции
называется операндом .
Всегда содержится один операнд для ALU
в реестре.
Другой операнд может быть в регистре или может быть
часть самой машинной инструкции.Результат операции заносится в
регистр общего назначения.

Машинные инструкции, использующие ALU
укажите четыре вещи:

1. Операция, которую нужно выполнить.
2. Первый операнд (часто в регистре).
3. Второй операнд (часто в регистре).
4. Регистр, который получает результат.

На рисунке показана 32-битная операция сложения.
Операнды поступают из регистра $ 8 и из регистра $ 9 .Результат помещается в регистр 10 долларов.
Вот как эта инструкция
написано на языке ассемблера:

addu 10, 8, 9 долларов
 

ВОПРОС 5:

Вот еще одна инструкция, в которой задействован ALU,
написано на языке ассемблера:

subu 25, 16, 17 долларов
 

Определите следующее:

.