Какво е аритметично логическо устройство (ALU)

Какво е ALU? Аритметична логическа единица, един от компонентите на процесора. В статията Ви каним да научите принципите на неговата работа, историята на създаването, основните характеристики, извършените операции, съществуващите ALU класификации.

Дефиниция на концепцията

Аритметичната логическа единица е един от процесорите, управляван от CU (контролен блок). Неговата цел е да извършва логически и аритметични трансформации на операндите на данни (оперативни аргументи, информация, обработвана от програмата). Ширината на битовете на операндите в този случай е размерът или дължината на машинната дума.

Съвременната мултифункционална ALU се състои от две части днес:

• Работно устройство
• Контролно устройство. Провежда вторичното декодиране на командни кодове, определя операцията, изпълнявана в аритметичната логическа единица.

Извършен набор от операции

Важно е да се знае какви операции трябва да изпълнява ALU, за да има функционална пълнота. По правило четири са достатъчни:

• Извикайте в паметта на устройството, за да четете или пишете информация.
• Намаляване / увеличаване.
• Сравнете. Тук се реализира възможността за условен преход.
• Спрете работата на устройството.

Ако се обърнем към първите аритметични логически устройства, ще видим, че броят на изпълнените от тях операции е бил ограничен до 16-ти. Съвременните ALU са способни да изпълняват стотици! Между другото, броят на операциите днес е най-важната характеристика на тези устройства.

ALU класификация

Ние помним, че аритметичната логическа единица е управляващо устройство и оперативно устройство. Но не всички съвременни и исторически ALU са едни и същи. След това даваме най-често срещаната класификация.

Чрез представяне на информация:

• Плаваща точка
• С фиксирана запетая.

По пътя на действията с операнди:

• Паралелно. В този случай операциите на всички битове се извършват едновременно от ALU.
• Последователно. В този случай операциите ще се извършват последователно, последователно над всяка от цифрите.
• Паралелно-сериен. Думата с данни тук е разделена на срички. Обработката на информация в такава ALU (аритметична логическа единица) се провежда паралелно над сричковите цифри и последователно над самите срички.

Относно използването на системите за номериране:

• Binary.
• Двоичен десетичен.
• Осмичен.
• Hex и така нататък.

Според характеристиките на използването на възли и елементи:

• Блок. За извършване на отделни аритметични операции се въвеждат специални блокове в системата на аритметичната логическа единица на процесора. Последните ви позволяват да извършвате паралелна обработка на информация.
• Конвейерна лента Каква е разликата между този тип ALU? Всяка операция ще бъде разделена на поредица от микро-операции. Те се изпълняват за определени мерки (равни времеви интервали) на различни нива на такъв конвейер. Така операцията върху потока от операнди се извършва всеки цикъл на часовника.
• Многофункционални. Това са универсални ALU, които са в състояние да извършват много операции в едно устройство. Необходимо е обаче да се извърши корекция, за да се извърши определена операция, като се използва нейният код.

Според характеристиките на времето:

• Синхронно. В такива компютърни аритметични логически единици, всяка операция ще се извършва в един тактов цикъл.
• Асинхронно. Съответно, ALU без разрушаване. Осигуряване на висока степен на скорост, както се извършва на комбинационни схеми.

Според характеристиките на устройството за управление:

• Имате контрола на фърмуера.
• С плътна логика CU.

Основни функции

Аритметичната логическа единица е неразделна част от компютърния процесор. ALU ще изпълнява следните функции:

• Двоична аритметика за информация във формати с фиксирана точка.
• Двоична аритметика за информация във формати с плаваща запетая.
• Двоична десетична аритметика.
• Логически операции (аритметични и логически промени).
• Информация за пратката.
• Работа с символни данни.
• Работа с графична информация.

Основни количествени характеристики

Компонентите на една аритметична логическа единица (OU и UU) определят количествените характеристики на цялата ALU система. По-специално това е следното:

• Времето за изпълнение на една операция.
• Скоростта на операциите като цяло.
• Броят на извършените операции.
• Точност на предоставената информация.

Основни качествени характеристики

Аритметичната логическа единица (ALU) е неразделна част от процесора. Това определя неговите най-важни качествени характеристики:

• Структурни особености на системата ALU.
• Техники за кодиране на данни
• Формати на информационното представяне - с плаваща или фиксирана точка.

История на

Създателят на аритметичните логически устройства се счита за Джон фон Нойман, разработчик на компютри на ENIAC (електронни цифрови решения).

Още през 1945 г. той публикува първите научни статии за неговото изобретяващо изобретение - компютърът EDVAC. На следващата година той вече работи с колегите си за създаването на такова устройство в Института за напреднали в Принстън.

Архитектурата на това изобретение ("архитектурата на фон Нойман") по-късно стана основата, прототипът на архитектурите и повечето от следващите компютри. В творбите си ученият посочва наличието на устройства, които според него са задължителни за всеки компютър. Сред тях беше споменато ALU. Фон Нойман вярва, че аритметично логическо устройство е необходимо, защото позволява на системата да извършва математически основни операции. Подобно на това: събиране и изваждане, умножение и деление.

Вътрешно устройство ALU

Вече решихме, че условно ALU може да се раздели на две части:

• CU (фърмуерно устройство). Задава последователност от команди и микроинструкции.
• Оп. Тук се изпълнява предварително дефинираната последователност от команди и микроинструкции. Оперативните устройства, от своя страна, са разделени в зависимост от вида на обработваната информация, метода за обработка на данни и логическата структура.

Макар и условно, съставът на ALU да подлежи на следните степени:

• Регистри. Те се използват за обработка на данни, идващи както от пасивни, така и от RAM.
• Логически команди. Те се използват за обработка на думи чрез микроинструкции. Последното, разбира се, ще дойде от UU - контролно устройство.

Самите микрокоманди са разделени в две категории:

• Те идват от външен източник в ALU. Извикайте в преобразуването на информацията за аритметичната логика.
• Генерирано в самата АЛУ. Въздействие върху устройството на фърмуера. По този начин се променя нормалния, стандартен ред на командите.

ALU регистър функции

За да имаме представа за работата на ALU, трябва да разгледаме по-подробно функциите на нейните регистри:

• Pr1. Това е батерия или батерии. Счита се за основен регистър на устройството, в което се формира резултатът от извършените изчисления.
• Pr2, Pr3. Регистри на операнди, в зависимост от естеството на операцията, която трябва да се изпълни - термин, делител, множител и т.н.
• PR4. Това е адресен регистър. Той помни (в други случаи форми) адресите на операндите на резултата.
• PR6. Някои индексни регистри. Съдържанието им ще се използва за генериране на адреси.
• PR7. Допълнителни регистри. По искане на предприемача, те могат да станат батерии, индексни или дори да се използват за запазване на междинни резултати от изчислението.

Сега ви предлагаме да се обърнете към специфични алгоритми на работа на ALU.

Добавяне на операция

Функционално аритметичната логическа единица ще се състои от регистър 1, регистър 2, суматор и контролна верига.

Сега ще напишем аритметичната операция на цикли:

1. Стойността на операнд No. 1, участващ в операцията по добавяне, влиза в регистър 1 чрез шината код.
2. Стойността на операнд No. 2, участващ в операцията по добавяне, влиза в регистър 2 чрез кодова шина.
3. Съответно, командната шина се изпраща към управляващата верига чрез шин код за изпълнение на тази операция.
4. Данните от регистрите отиват до суматора. Освен това управляващата верига вече дава команда за извършване на добавяне.
5. Резултатът от извършената операция отива в регистър 1.
6. Резултатът от действието на аритметичната логическа единица след това се подава към резултата.

Операция за изваждане

Нека разгледаме изпълнението на друга проста аритметична операция:

1. Стойността на операнд No. 1, който участва в операцията по изваждане, се предава на регистър 1 на кодовата шина.
2. Стойността на операнд No. 2, която участва в операцията по изваждане, се предава на регистър 2 чрез кодова шина.
3. Инструкции за прилагането на този алгоритъм се показват в инструкциите за шината на кода към управляващата верига.
4. Налице е повторно формиране на положително число в отрицателна контролна схема.
5. Резултатът от такава трансформация на операнда отива по-далеч в суматора.
6. Събирателят изпълнява добавянето на тези числа.
7. Резултатът от операцията отива в регистър 1.
8. Резултатът от операцията за изваждане се изпраща към резултата.

Операции в устройството

И още една тема за последно. Трябва да помним, че всички операции, изпълнявани в ALU, са логични. Те могат да бъдат разделени в следните категории:

• Индексна аритметика.
• Десетична аритметика.
• Специална аритметика.
• Двоична аритметика за стойности с фиксирана точка.
• Двоична, шестнадесетична аритметика за стойности с плаваща запетая.
• Над буквено-цифрови полета.
• Над логически кодове.
  

Аритметична логическа единица - основната част от процесора на всеки компютър. Разработен е в средата на миналия век от известния фон Нойман. Той е проектиран да изпълнява прости аритметични и логически операции в компютъра. Днес има голям брой разновидности на ALU, както се вижда от многото представени класификации на тези устройства.