Арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Структура АЛУ. Регистровая АЛУ разрядно-модульного типа

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ).

          АЛУ - это комбинационная схема, предназначенная для выполнения арифметических и поразрядно логических операций над многоразрядными словами.

          Требования к АЛУ:

1.  выполнение различных арифметически-логических операций;

2.  обеспечение межразрядного переноса при выполнении арифметических операций (быстродействие);

3.  обеспечение наращивания разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями АЛУ (аппаратным способом):

-  пропускная способность;

-  повышение точности.

Примеры: полёт на Марс – 64 разряда; спутник вокруг Земли – 24-28 разрядов.

Структура АЛУ

Основа АЛУ – это одноразрядный сумматор с управляющим сигналом S.

Основой АЛУ является одноразрядный комбинационный сумматор  . Этот  может изменять свою конфигурацию в зависимости от управляющего слова . Управляющее слово является функцией и  необходимой операцией (сложение, вычитание и т.д.). Сигнал  (модификатор) обеспечивает выполнение:

-  при - арифметическая операция;

-  при - логическая операция.

Пример: конкретные требования к АЛУ:

1.   плюс    (арифметический)

2.  минус   (арифметический)

3.              (логический)

4.               (логическое)

Результат одноразрядного комбинационного сумматора:

Для 1-го требования  плюс , следовательно нужно избавиться от  и . Для первого добавляем управляющий сигнал , а для 2-го можно .

                                                          (1)

Следовательно, 

          Для вычитания необходим обратный код

                                                          (2)

Проведём суперпозицию выражений (1) и (2)

                                  (3) 

Проверяем.

Выражение (3) можно представить в виде:

D_i, F_i – подготовительные функции нулевого порядка. Эти функции используются для реализации группового или параллельного переноса. Они не зависят от переноса из  разряда.

Фрагмент АЛУ:

Организация внутрисекционного переноса в АЛУ

            Возможно использование двух видов переносов:

1)  Последовательно

2)  Параллельно

Второй используется в тех случаях где не требуется высокого быстродействия  на обработку информации, но предъявляется требование минимума аппаратных затрат.

Для 2):

        - подготовительные функции первого порядка. Они используются при построении многоразрядных вычислительных систем для реализации межсекционного переноса.

Наращивание разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями

Два вида переносов:

1.  Последовательный пернос

          Максимальная задержка:  от момента поступления сигнала до конца.

          Задержка всей цепочки 80 мкс.

2.  Параллельный перенос.

         Эти функции имеют аналитические соотношения аналогичные подготовительным  функциям первого порядка.

          Задержка СУП (схем ускоренного переноса) составляет 20нск. Следовательно данная структура имеет задержку 40 м, т.е. в 2 раза меньше, чем у последовательного переноса.

Примеры использования АЛУ

1.  Преобразователь прямого кода в обратный.

          Пусть на наше устройство поступает число:

Выражение для АЛУ:

          В зависимости от N₅ должны на выход передавать либо  в прямом, либо в обратном коде. Для этого нам нужно избавиться от первой скобки. Положим а_i=0

Структурная схема будет иметь вид:

2. Преобразователь прямого кода в дополнительный.

3. Преобразовать из дополнительного кода в обратный (вычесть 1 или прибавить 1 ко всем разрядам). В данном случае b_i=1.

          Использование АЛУ в качестве решающего устройства целесообразно в тех случаях, когда количество реконфигураций не превышает 8. В иных случаях лучше использовать микропроцессор (т.к. резко возрастают аппаратурные затраты).

Классификация ИМС

1.  Радиокомпоненты могут реализовать только одну логическую функцию.

2.  Схема малой степени интеграции – до 20 логических функций (И, ИЛИ, НЕ, триггера и т.д.).

3.  Схема средней степени интеграции (АЛУ, счётчики, пересчётные устройства) – от 20 до 50 логических функций.