Арифметико-логічний пристрій (АЛП) - що це?

Як відомо, процесор комп'ютера складається з чотирьох базових компонентів: арифметико-логічного пристрою, модуля вводу/виводу, а також блоків пам'яті і управління. Таку архітектуру визначили ще в минулому столітті і, незважаючи на те що минуло чимало часу, класична структура фон Неймана залишається актуальною.

Що таке АЛУ?

Арифметико-логічний пристрій – це один з компонентів процесора, який необхідний для здійснення перетворень логічного та арифметичного типу, починаючи елементарними і закінчуючи складними виразами. Розрядність використовуваних операндів прийнято вважати довжиною слова, або розміром.









Головне завдання АЛУ полягає в переробці даних, що зберігаються в оперативній пам'яті комп'ютера. Крім того, арифметико-логічний пристрій здатне виробляти сигнали управління, які направляють ЕОМ на вибір правильного шляху для виконання необхідного обчислювального процесу в залежності від типів підсумкових даних. Всі операції будуть задіяні електронні схеми, кожна з яких структурно поділяється на тисячі елементів. Такі плати зазвичай быстродейственные і відрізняються високою щільністю. В залежності від сигналів, які надходять на вхід, АЛУ виконують різні типи операцій із двома числами. Будь-арифметико-логічний пристрій комп'ютера передбачає реалізацію чотирьох базових дій, зсувів, а також логічних перетворень. Набір операцій АЛП – це його головна характеристика. Складові частини арифметико-логічного пристрою – це чотири основні групи вузлів, які відповідають процесам управління, передачі, зберігання та перетворення вхідних даних.

Вузли зберігання АЛУ

До цієї категорії належать:

тригери, що зберігають допоміжні біти і різні ознаки результатів;

регістри, що відповідають за цілісність операндів, проміжних і кінцевих підсумків.

Іноді регістри арифметико-логічного пристрою можуть об'єднуватися в спеціалізований блок пам'яті, а тригери - формувати єдиний регістр стану.

Вузли передачі АЛУ

До цієї категорії належать:

шини, що з'єднують між собою блоки пристрою;

мультиплексори і вентилі, що відповідають за вибір правильного напрямку виконання операцій.

Вузли перетворення АЛУ

Сюди відносяться:

суматори, які виконують мікрооперації;

схеми виконання логічних дій;

сдвигатели;

коректори для десяткової арифметики;

перетворювачі коду, що використовуються для отримання зворотних або додаткових даних;

лічильники для підрахунку кількості виконаних циклів і для реалізації допоміжних перетворень.

Вузли управління АЛУ

До цієї категорії об'єктів відносяться:

контрольний блок;

дешифратор сигналів;

схеми перетворення логічних ознак, необхідні для формування гілок для виконання мікропрограм.

Дія пристрою керування процесора

Цей блок відповідає за вироблення послідовності функціональних сигналів, потрібної для коректного виконання заданої команди. Як правило, такі перетворення реалізуються за декілька тактів. Керуючий пристрій забезпечує автоматичне виконання програми. При цьому задіюються необхідні координовані відгалуження роботи інших складових компонентів машини. За дія пристрою управління відповідає базовий принцип мікропрограмування, має чітке число характеристик.

Класифікація АЛУ

Арифметико-логічні пристрої за способом оперування змінними ділять на паралельні і послідовні. Головна відмінність між цими АЛУ полягає в способі представлення операндів і виконання операцій.
За характером використання арифметико-логічні пристрої поділяють на багатофункціональні і блокові. В АЛУ першого типу для виконання операцій з різними формами представлення чисел використовуються одні і ті ж схеми, які пристосовуються до затребованному режиму роботи з даними. В блочних пристроях всі операції виконуються через розподіл за видами даних. Для дій з десятковими числами, цифровими та алфавітними полями, числами з плаваючою або фіксованою точкою використовуються різні схеми. При цьому арифметико-логічний пристрій працює набагато швидше завдяки паралельному виконанню поставлених завдань. Але у них є і недолік – збільшені витрати на підтримку обладнання. Арифметико-логічний пристрій за способом подання може використовуватися для:

десяткових чисел;

чисел з плаваючою точкою;

чисел з фіксованою крапкою.

Операції пристрою

Структура АЛП передбачає виконання дій через логічні функції, які поділяються на такі групи:

десяткова арифметика;

двійкова арифметика для цифр з чітко визначеною точкою;

шістнадцяткова арифметика для виразів з плаваючим роздільником;

модифікація адрес команд;

операції логічного типу;

перетворення алфавітно-цифрових полів;

спеціальна арифметика.

Сучасні електронно-обчислювальні машини здатні реалізувати всі вищезгадані типи активності, а мікроеом не мають такого базового функціоналу, тому найбільш складні процедури виконують через підключення невеликих підпрограм.

Арифметичні операції і логічні процедури

Всі дії АЛУ можна умовно розділити на кілька груп. Арифметичні операції включають в себе ділення, множення, віднімання модулів, звичайне віднімання і додавання. До групи логічних перетворень зараховують логічне «і» та «або», тобто кон'юнкцію і диз'юнкцію, а також порівняння даних на рівність. Такі процедури, як правило, проводять над двійковими словами, складаються з безлічі розрядів.
До спеціальним арифметичним операціям ставляться нормалізація, логічний і арифметичний зсув. Між цими перетвореннями є істотна різниця. Якщо при арифметичному зсув у розташуванні змінюють лише цифрові розряди, то при логічному знаковий розряд приєднується до руху. Кожну операцію, яка відбувається за допомогою використання арифметико-логічного пристрою, можна назвати послідовністю функцій логічного типу, які описуються многоразрядной логікою для електронно-обчислювальних машин. Наприклад, для двійкових ЕОМ використовується двійкова логіка і так далі, аж до десятеричной системи. Абсолютно у всіх арифметико-логічних перетворень є власні операнди, а результати на виході трактуються як бітові рядки з шістнадцятьма розрядами. Винятком є лише примітиви знакового поділу DIVS. А різноманітні прапори дозволяють трактувати дані на виході як цифри зі знаком мінус або плюс при переповненні. Логіка перетворення бітів будується на арифметиці по модулю. Прапор ставиться, якщо сталися непередбачувані зміни зі знаком. Наприклад, складаючи два позитивних числа, ви повинні отримати результат зі знаком "+". Але якщо відбувається перенесення в знаковий біт, встановлює одиницю, а підсумок виходить негативним, то встановлюється прапор переповнення. Логіка біта перенесення базується на беззнаковой арифметиці. Цей прапор встановлюється системою, якщо згенерований перенос із старшого розряду не може бути записаний як результат. Цей біт АЛУ дуже ефективний при використанні перетворень з багатослівними уявленнями.

Висновок

Арифметико-логічний пристрій використовується для виконання логічних і арифметичних перетворень над необхідними операндами, у ролі яких часто виступають команди або коди чисел. Після виконання дії результат знову надходить у запам'ятовуючий пристрій для використання в наступних обчисленнях.