Тема2.3. Арифметические устройства

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 12Следующая ⇒

Арифме́ тико-логи́ ческое устро́ йство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером машинного слова.

История

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

Организация и принципы действия

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

Одноразрядное троичное бинарное (двухоперандное) АЛУ с унарным (одноразрядным) выходом (полуАЛУ) может выполнять до троичных бинарных (двухоперандных) функций (операций) с унарным (одноразрядным) выходом.

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

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

микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);

операционное устройство, в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу её обработки и по логической структуре. Более подробная классификация указана на рис.3.

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

Операции в АЛУ

Все выполняемые в АЛУ операции являются логическими операциями (функциями), которые можно разделить на следующие группы:

операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

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

операции десятичной арифметики;

операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);

операции специальной арифметики;

операции над логическими кодами (логические операции);

операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции всех приведённых выше групп, а малые и микроЭВМ, микропроцессоры и специализированные ЭВМ часто не имеют аппаратуры арифметики чисел с плавающей точкой, десятичной арифметики и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции выполняются специальными подпрограммами.

К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей («короткие операции») и умножение и деление («длинные операции»). Группу логических операций составляют операции дизъюнкция (логическое ИЛИ) и конъюнкция (логическое И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остаётся на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации. Каждая операция в АЛУ является логической функцией или последовательностью логических функций описываемых двоичной логикой для двоичных ЭВМ, троичной логикой для троичных ЭВМ, четверичной логикой для четверичных ЭВМ, десятичной логикой для десятичных ЭВМ и т. д.

Классификация АЛУ

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

По способу представления чисел различают АЛУ:

для чисел с фиксированной точкой;

для чисел с плавающей точкой;

для десятичных чисел.

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

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

Тема 2.4 Арифметические основы работы ПК

Основные устройства вычислительной техники - это вычислительная машина, которая выполняет процессы:

1) Хранение информации - память

2) передача информации - устройство связи

3) Обработка информации - процессор

Классификация ЭВМ.

1) Микро ЭВМ - ЭВМ, который строиться на основании простых микропроцессоров и микроконтроллеров (со степенью интеграции 1 и 2). Количество элементов: 100-1000. Служат для решения простых задач.

2) Мини ЭВМ - используются для решения более сложных задач и характеризуются наличием развитой системы периферийных устройств.

3) Средние и большие ЭВМ - предназначены для решения задач повышенной сложности и, как правило, реализуются с помощью многопроцессорных машин и сетей.

По использованию физических принципов:

1) Механические (электромеханический счетчик электроэнергии)

2) Электрическ4ий

3) Пневматический

4) Гидравлический

5) Оптический

6) Биохимический

По назначению:

1) Специализированные ЭВМ: служат для решения узкого класса задач или даже одной задачи, требующих многократного повторения. Узкая специализация вычислителя позволяет решать задачи наиболее эффективно. Преимущество -минимальный аппаратный состав. Недостаток - тот же (минимальный аппаратный состав). Пример: теплосчетчик.

2) Проблемно-ориентированная ЭВМ. Имеют ограничения машинных ресурсов применительно к определенному классу задач, обладают некоторой универсальностью в пределах этого класса. Пример: кассовый аппарат магазина.

3) Универсальные ЭВМ - предназначены для решения задач широкого класса, обладают максимальными аппаратными возможностями и характеризуются сложными и многофункциональным программным обеспечением.

По типу информации, с которой оперируются вычислительные машины, ЭВМ делятся на цифровые и аналоговые.

Аналоговые машины: оперируют с информацией, представленной в непрерывной форме, т.е. каждому мгновенному знанию физической величины. Физические величины могут быть закодированы с помощью величины электрического тока, напряжения, амплитуды, фазы и частоты переменного тока. U на датчике

дискретизация по уровню

Также следует дискретизация про времени, когда данные могут быть получены не в произвольный момент времени, а только в жестко установленный. Главное преимущество скорость.

Недостатки:

> низкая точность

> высокая точность программирования неуниверсальность

Цифровые машины.

Преимущества: простота конфигурации, для увеличения точности измерения не требуется изменения аппаратуры. (точность определяется порядком младшего разряда). Недостатки: скорость ниже, чем у аналоговых.

простейший элемент современных нейро-компьютеров.

Гибридные машины сочетают в себе преимущества аналоговых и цифровых машин: с помощью цифровой машины выполняем конфигурацию, скорость - аналоговая.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒