Що таке арифметико-логічний пристрій (АЛП)

Що таке АЛУ? Арифметико-логічний пристрій, одна з складових процесора. У статті ми запрошуємо вас дізнатися принципи його дії, історію створення, основні характеристики, виконуються операції, що існуючі класифікації АЛУ.

Визначення поняття

Арифметико-логічний пристрій — один з блоків процесора, керований УУ (пристроєм управління). Його призначення: виконання логічних і арифметичних перетворень над даними-операндами (аргументами операції, інформацією, що обробляється програмою). Розрядність операндів в даному випадку — розмір або довжина машинного слова.

Сучасне багатофункціональне АЛУ складається сьогодні з двох частин:

  • Операційний пристрій.
  • Пристрій управління. Проводить вторинну дешифрацию кодів команди, визначає операцію, виконувану в арифметико-логічному пристрої.

Набір виконуваних операцій

Важливо знати, які операції має виконувати АЛУ для того, щоб мати функціональною повнотою. Як правило, вистачає чотирьох:

  • Звернення до пам’яті пристрою для читання або запису інформації.
  • Декремент/інкремент.
  • Порівняння. Тут реалізується можливість умовного переходу.
  • Зупинка функціонування пристрою.

Якщо ми звернемося до перших арифметико-логічних пристроїв, то побачимо, що кількість виконуваних ними операцій обмежувалася 16-ю. Сучасні АЛУ здатні виконувати сотні! До речі, число операцій і сьогодні є найважливішою характеристикою даних пристроїв.

Класифікація АЛУ

Ми пам’ятаємо, арифметико-логічний пристрій — пристрій управління та операційний. Але не всі сучасні та історичні АЛУ однакові. Далі ми наведемо найпоширеніші їх класифікації.

За способом представлення інформації:

  • З плаваючою комою.
  • З фіксованою комою.

За способом дій з операндами:

  • Паралельні. У цьому випадку операції над всіма розрядами виконуються АЛП одночасно.
  • Послідовні. В даному випадку операції будуть виконуватися по черзі, послідовно над кожним із розрядів.
  • Паралельно-послідовні. Слово даних тут ділиться на склади. Обробка інформації в такому АЛП (арифметико-логічному пристрої) ведеться паралельно над розрядами складу і послідовно над самими складами.

Щодо застосування систем числення:

  • Двійкові.
  • Двійково-десяткові.
  • Вісімкові.
  • Шестнадцатиричные та ін.

По особливостям використання вузлів і елементів:

  • Блокові. Для виконання окремих арифметичних операцій в систему арифметико-логічного пристрою процесора вводять спеціальні блоки. Останні дозволяють вести паралельно процеси обробки інформації.
  • Конвеєрні. Чим відрізняються АЛУ такого типу? Будь-яка операція буде розбиватися на послідовність мікрооперацій. Вони виконуються за певні такти (рівні часові проміжки) на різних щаблях такого конвеєра. Операція над потоком операндів, таким чином, виконується кожен такт.
  • Багатофункціональні. Це універсальні АЛУ, які здатні виконати безліч операцій в одному пристрої. Однак тут потрібна настройка на виконання конкретної операції за допомогою коду.
Дивіться також:  Найменший океан та його особливості

За часовими характеристиками:

  • Синхронні. У таких арифметико-логічних пристроях комп’ютера кожна операція стане виконуватися за один такт.
  • Асинхронні. Відповідно, нетактируемые АЛУ. Забезпечують високу ступінь швидкодії, так як виконуються на комбінаційних схемах.

За характеристикою пристрою керування:

  • Мають мікропрограмне керування.
  • З жорсткою логікою УУ.

Основні функції

Арифметико-логічний пристрій є складовою частиною процесора комп’ютера. АЛУ буде виконувати наступні функції:

  • Двійкової арифметики для інформації у форматі з фіксованою точкою.
  • Двійкової арифметики інформації у форматах із плаваючою точкою.
  • Арифметики двійково-десяткового подання відомостей.
  • Логічні операції (арифметичні та логічні зрушення).
  • Пересилання інформації.
  • Робота з символьними даними.
  • Робота з графічною інформацією.

Головні кількісні характеристики

Складові частини арифметико-логічного пристрою (ОП і УУ) визначають кількісні характеристики всієї системи АЛУ. Зокрема, це наступне:

  • Час виконання однієї операції.
  • Швидкість виконання операцій взагалі.
  • Число виконуваних операцій.
  • Точність наданої інформації.

Головні якісні характеристики

Арифметико-логічний пристрій (АЛП) є складовою частиною процесора. Це визначає його найважливіші якісні характеристики:

  • Структурні особливості системи АЛУ.
  • Методики кодування даних.
  • Формати представлення інформації — з плаваючою або фіксованою точкою.

Історія виникнення

Творцем арифметико-логічних пристроїв вважається Джон фон Нейман, розробник комп’ютерів ENIAC (електронних числових обчислювачів).

Вже в 1945 році їм були опубліковані перші наукові роботи по своєму стартовому винаходу — комп’ютера EDVAC. У наступному році він вже працював разом зі своїми колегами над створенням такого пристрою в Прінстонському інституті перспективних досліджень.

Архітектура цього винаходу («архітектура фон Неймана») надалі стала базою, прототипом архітектур і більшої частини наступних комп’ютерів. У своїх роботах вчений вказував на наявність пристроїв, які, на його думку, є обов’язковими для кожного комп’ютера. Серед них було згадано АЛУ. Фон Нейман вважав, що арифметико-логічний пристрій необхідно, тому що дозволяє виконувати системі базові математичні операції. Як то: додавання і віднімання, множення і ділення.

Дивіться також:  Навіщо коту вуса: особливості, функції та цікаві факти

Внутрішнє пристрій АЛУ

Ми вже розібрали, що умовно АЛУ можна розділити на дві частини:

  • УУ (мікропрограмний пристрій). Задає послідовність команд і мікрокоманд.
  • ОУ. Тут реалізується раніше задана послідовність команд і мікрокоманд. Операційні пристрої, в свою чергу, поділяються за типом оброблюваної інформації, за способом обробки даних, логічній структурі.

При цьому умовно складу АЛУ також піддається наступної градації:

  • Регістри. Служать для обробки даних, що надходять як з пасивної, так і з оперативної пам’яті.
  • Логічні команди. Служать для обробки слів за микрокомандам. Останні, природно, будуть надходити з УУ — пристрій управління.

Самі микрокоманды діляться на дві категорії:

  • Надходять від зовнішнього джерела в АЛУ. Викликають в арифметико-логічному пристрої перетворення інформації.
  • Генеруються в самому АЛУ. Впливають на мікропрограмний пристрій. Тим самим змінюють нормальний, стандартний порядок проходження команд.

Функції регістрів АЛУ

Щоб мати уявлення про роботу АЛУ, нам потрібно ближче познайомитися з функціями його регістрів:

  • Pr1. Це акумулятор або акумулятори. Вважається головним регістром пристрою, в якому й утворюється результат проведених обчислень.
  • Pr2, Pr3. Регістри операндів залежно від характеру виконуваної операції — доданка, дільника, співмножника та ін.
  • Pr4. Це адресний регістр. Він запам’ятовує (в інших випадках формує) адреси операндів результату.
  • Pr6. Певна кількість індексних регістрів. Їх вміст буде використовуватися для формування адрес.
  • Pr7. Допоміжні регістри. За бажанням розробника можуть стати акумуляторами, індексними або зовсім використовуватися для збереження проміжних результатів обчислення.

Тепер пропонуємо вам звернутися до конкретних алгоритмів роботи АЛП.

Операція додавання

Функціонально арифметико-логічний пристрій буде складатися з Регістра 1, Регістра 2, суматора і схеми управління.

Тепер розпишемо арифметичну операцію по тактів:

  • Значення операнда № 1, який бере участь в операції додавання, надходить в Регістр 1 по кодової шині.
  • Значення операнда № 2, що бере участь в операції додавання, надходить в Регістр 2 по кодової шині.
  • Відповідно, за кодову шину інструкцій у схему управління надходить інструкція з виконання даної операції.
  • Дані з регістрів йдуть в суматор. Далі схема управління вже дає команду на виконання додавання.
  • Результат здійсненої операції йде в Регістр 1.
  • Результат операції арифметико-логічного пристрою далі надходить у результуючий блок.
  • Дивіться також:  Яка духовка краще - електрична або газова? Відгуки та фото

    Операція віднімання

    Давайте розглянемо виконання ще однієї простої арифметичної операції:

  • Значення операнда № 1, який бере участь в операції віднімання, проходить в Регістр 1 по кодової шині.
  • Значення операнда № 2, що бере участь в операції віднімання, проходить в Регістр 2 по кодової шині.
  • Інструкція по виконанню даного алгоритму виводиться з кодову шину інструкцій до схемою управління.
  • Відбувається переформування позитивного числа негативне схемою управління.
  • Результат такого перетворення операнда йде далі в суматор.
  • Суматор виконує додавання даних чисел.
  • Результат операції надходить в Регістр 1.
  • Результат операції віднімання відправляється в результуючий блок.
  • Операції в пристрої

    І ще одна тема наостанок. Ми повинні пам’ятати, що всі операції,які виконуються в АЛП, — логічні. Їх можна розділити на наступні категорії:

    • Індексного арифметики.
    • Десяткової арифметики.
    • Спеціальної арифметики.
    • Двійкової арифметики для значень з фіксованою точкою.
    • Двійковій, шістнадцятковій арифметики для значень з плаваючою точкою.
    • Над алфавітно-цифровими полями.
    • Над логічними кодами.

    Арифметико-логічний пристрій — основна частина будь-якого процесора комп’ютера. Було розроблено ще в середині минулого століття прославленим фон Нейманом. Покликане виконувати прості арифметичні та логічні операції в комп’ютері. Сьогодні існує велика кількість різновидів АЛУ, що видно з безлічі представлених класифікацій даних пристроїв.