Функция и структура арифметико-логического устройства
В классической фон-неймановской ВМ функция арифметической и логической обработки данных возлагается на арифметико-логическое устройство (АЛУ). Учитывая разнообразие выполняемых операций и типов обрабатываемых данных, реально можно говорить не о едином устройстве, а о комплексе специализированных операционных устройств (ОПУ), каждое из которых реализует определенное подмножество арифметических или логических операций, предусмотренных системой команд вычислительной машины. С этих позиций следует выделить:
· ОПУ целочисленной арифметики;
· ОПУ для реализации логических операций;
· ОПУ десятичной арифметики;
· ОПУ для чисел с плавающей запятой.
На практике две первых группы обычно объединяются в рамках одного операционного устройства. Специализированные ОПУ десятичной арифметики в современных ВМ встречаются достаточно редко, поскольку обработку чисел, представленных в двоично-десятичной форме, можно достаточно эффективно организовать на базе средств целочисленной двоичной арифметики. Таким образом, можно считать, что АЛУ состоит из двух видов операционных устройств: целочисленного ОПУ и ОПУ для обработки чисел в формате с плавающей запятой (ПЗ).
В минимальном варианте АЛУ должно содержать аппаратуру для реализации лишь основных логических операций, сдвигов, а также сложения и вычитания чисел в форме с фиксированной запятой (ФЗ). Опираясь на этот набор, можно программным способом обеспечить выполнение остальных арифметических и логических операций как для чисел с фиксированной запятой, так и для других форм представления информации. Следует, однако, учитывать, что подобный вариант не позволяет добиться высокой скорости вычислений, поэтому по мере расширения технологических возможностей доля аппаратных средств в составе АЛУ постоянно возрастает.
Набор элементов, на основе которых строятся структуры различных ОПУ, называется структурным базисом. Структурный базис ОПУ включает в себя:
· регистры, обеспечивающие кратковременное хранение слов данных;
· управляемые шины, предназначенные для передачи слов данных;
· комбинационные схемы, реализующие вычисление функций микроопераций и логических условий по управляющим сигналам от устройства управления.
На практике распространены два вида структур ОПУ: жесткая и магистральная.
В ОПУ с жесткой структурой /2/ комбинационные схемы жестко распределены между всеми регистрами. К каждому регистру относится свой набор комбинационных схем, позволяющих реализовать определенные микрооперации. Пример ОПУ с жесткой структурой, обеспечивающего выполнение операций типа «сложение», приведен на рис.2.5.
В состав ОПУ входят три регистра со своими логическими схемами:
· регистр первого слагаемого РСл1 и схема ЛРСл1;
· регистр второго слагаемого РСл2 и схема ЛРСл2;
· регистр суммы РСм и схема комбинационного сумматора См.
Логическая схема ЛРСл2 реализует микрооперации передачи второго слагаемого из РСл2 на левый вход сумматора:
· прямым кодом ЛСм:= РСл2 (по сигналу управления В1РСл2);
· инверсным кодом ЛСм:= РСл2 (по сигналу управления В1РСл2);
· со сдвигом на один разряд влево ЛСм := L1(РСл2 • 0) (по сигналу управления L1РСл2).
Логическая схема ЛРСл1 обеспечивает передачу результата из регистра РСм в регистр РСл1:
· прямым кодом РСл1 := РСм (по сигналу управления П2РСл1);
· со сдвигом на один разряд влево РСл1 := L1(PCм • 0) (по сигналу управления L1PCм);
· со сдвигом на два разряда вправо РСл1 := R2(s • s • РСм) (по сигналу управления R1PCм).
Комбинационный сумматор См предназначен для суммирования (обычного или по модулю 2) операндов, поступивших на его левый (ЛСм) и правый (ПСм) входы. Результат суммирования заносится в регистр РСм: РСм:= ЛСм + ПСм (по сигналу управления П2РСм) или РСм:= ЛСм ПСм (по сигналу управления П2М2РСм).
Моделью ОПУ с жесткой структурой является так называемый I-автомат, с особенностями синтеза которого можно ознакомиться в /6/.
Затраты времени на выполнение операций типа «сложение» в ОПУ с жесткой структурой равны
ТЖ = tB + tc + tп,
где tB – длительность микрооперации выдачи операндов из регистров; tc – продолжительность микрооперации «сложение»; tп – длительность микрооперации приема результата в регистр.
Достоинством ОПУ с жесткой структурой является высокое быстродействие, недостатком – малая регулярность структуры, что затрудняет реализацию таких ОПУ в виде больших интегральных схем.
В ОПУ с магистральной структурой все внутренние регистры объединены в отдельный узел регистров общего назначения (РОН), а все комбинационные схемы – в операционный блок (ОПБ), который зачастую ассоциируют с термином «арифметико-логическое устройство».
Операционный блок и узел регистров сообщаются между собой с помощью магистралей – отсюда и название «магистральное ОПУ».
Пример магистрального ОПУ представлен на рис.2.6.
В состав узла РОН здесь входят N регистров общего назначения, подключаемых к магистралям А и В через мультиплексоры MUX А и MUX В. Каждый из мультиплексоров является управляемым коммутатором, соединяющим выход одного из РОН с соответствующей магистралью. Номер подключаемого регистра определяется адресом а или b, подаваемым на адресные входы мультиплексора из устройства управления.
По магистралям А и В операнды поступают на входы операционного блока, к которым подключается комбинационная схема, реализующая требуемую микрооперацию (по сигналу управления из УУ). Таким образом, любая микрооперация ОПБ может быть выполнена над содержимым любых регистров ОПУ. Результат микрооперации по магистрали С заносится через демультиплексор DМХ С в конкретный регистр узла РОН. Демультиплексор представляет собой управляемый коммутатор, имеющий один информационный вход и N информационных выходов. Вход подключается к выходу с заданным адресом с, который поступает на адресные входы DМХ С из УУ.
Моделью ОПУ с магистральной структурой является М-автомат /6/.
Затраты времени на сложение в магистральных ОПУ больше, чем в ОПУ с жесткой структурой:
ТМ = tB + tС + tП + tMUX + tDMX = tж + tMUX + tDMX,
где tMUX – задержка на подключение операндов из РОН к ОПБ; tDMX – задержка на подключение результата к РОН.
Основным достоинством магистральных ОПУ является высокая универсальность и регулярность структуры, что облегчает их реализацию на кристаллах ИС. Вообще говоря, магистральная структура ОПУ в современных ВМ является наиболее распространенной.
Дата добавления: 2021-12-14; просмотров: 312;