Лекция: Структура, подход к проектированию, основные уравнения работы АЛУ.

АЛУ — это комбинационная схема, предназначенная для выполнения арифметических и поразрядно логических операций над многоразрядными словами. Основные требования к АЛУ:

— выполнение различных арифметико-логических операций (выполнение данного требования обеспечивает набор команд, которые сможет выполнять микропроцессор);

— обеспечение межразрядного переноса при выполнении арифметических операций (от этого зависит быстродействие вычислительной системы);

— обеспечение наращивания разрядности обрабатываемых слов однотипными секциями АЛУ.

Основой АЛУ является одноразрядный комбинационный сумматор SM*, который изменяет свою конфигурацию в зависимости от управляющего слова S. Управляющее слово, как правило, входит в состав микрокоманды и определяет тип операции над операндами (сложение, вычитание и т.д.). Сигнал М (модификатор) обеспечивает выполнение арифметических операций при и логических при .

Рис. 2.1. Структура АЛУ на примере 4-разрядной секции

Сумматор SM применяет свою конфигурацию под воздействием управляющего слова S. Слово S как правило входит в состав микрокоманды и определяет тип операции.

Модификатор М разделяет логические и арифметические операции (при М=0-логические, при М=1-арифметические)

— бит переноса;

-разряды операндов A,B.

— разряды результата.

Проведем синтез одного из вариантов АЛУ, для чего сформулируем к нему конкретные требования. Предположим, что необходимо реализовать следующие действия:

· арифметическая операция сложения ( плюс );

· арифметическая операция вычитания ( минус );

· логическая операция ИЛИ ( );

· логическая операция И ( );

Работу одноразрядного комбинационного сумматора можно описать выражением:

используя правило представления логических функций можно записать:

(1)

Анализ данного выражения показывает, что для реализации арифметической операции сложения необходимо полностью сохранить данное выражение, а для реализации логической операции ИЛИ необходимо исключить операции и. Для этого аналитическое выражение дополняется управляющими сигналами S, которые могут принимать в зависимости от определенных условий значения 0 или 1. Таким образом выражение 1 примет вид:

(2)

Если в данное выражение подставить:

М=0, S3 = 0, то результат операции будет логическое ИЛИ над многоразрядными операндами А и В,

М = 1, S3 = 1, то результат операции будет арифметическая операция сложения многоразрядных операндов А и В.

Для выполнения операции вычитания в вычислительных машинах используется либо обратный либо дополнительный коды (обратный код положительного числа полностью соответствует прямому, а для получения обратного кода отрицательного числа необходимо проинвертировать все разряды числа, кроме разряда выполняющего функцию знака). В данном случае возьмем инверсию числа b. Тогда получим:

(3)

Опираясь на выражения (2) и (3) можно записать

(4)

Проверим выполнения требований, которые предъявили к АЛУ

Выражение (4) можно представить в виде:

(5)

где Di=, Fi=

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

Рассмотрим результаты операций, выполняемые АЛУ.

Недостающие элементы таблицы необходимо заполнить самостоятельно.

Фрагмент АЛУ: