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.
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.
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:
Операція віднімання
Давайте розглянемо виконання ще однієї простої арифметичної операції:
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.
