Функция и структура арифметико-логического устройства

В классической фон-неймановской ВМ функция арифметической и логической обработки данных возлагается на арифметико-логическое устройство (АЛУ). Учи­тывая разнообразие выполняемых операций и типов обрабатываемых данных, ре­ально можно говорить не о едином устройстве, а о комплексе специализирован­ных операционных устройств (ОПУ), каждое из которых реализует определенное подмножество арифметических или логических операций, предусмотренных сис­темой команд вычислительной машины. С этих позиций следует выделить:

· ОПУ целочисленной арифметики;

· ОПУ для реализации логических операций;

· ОПУ десятичной арифметики;

· ОПУ для чисел с плавающей запятой.

На практике две первых группы обычно объединяются в рамках одного операционного устройства. Специализированные ОПУ десятичной арифметики в совре­менных ВМ встречаются достаточно редко, поскольку обработку чисел, представ­ленных в двоично-десятичной форме, можно достаточно эффективно организовать на базе средств целочисленной двоичной арифметики. Таким образом, можно счи­тать, что АЛУ состоит из двух видов операционных устройств: целочисленного ОПУ и ОПУ для обработки чисел в формате с плавающей запятой (ПЗ).

В минимальном варианте АЛУ должно содержать аппаратуру для реализации лишь основных логических операций, сдвигов, а также сложения и вычитания чи­сел в форме с фиксированной запятой (ФЗ). Опираясь на этот набор, можно про­граммным способом обеспечить выполнение остальных арифметических и логи­ческих операций как для чисел с фиксированной запятой, так и для других форм представления информации. Следует, однако, учитывать, что подобный вариант не позволяет добиться высокой скорости вычислений, поэтому по мере расшире­ния технологических возможностей доля аппаратных средств в составе АЛУ по­стоянно возрастает.

Набор элементов, на основе которых строятся структуры различных ОПУ, назы­вается структурным базисом. Структурный базис ОПУ включает в себя:

· регистры, обеспечивающие кратковременное хранение слов данных;

· управляемые шины, предназначенные для передачи слов данных;

· комбинационные схемы, реализующие вычисление функций микроопераций и логических условий по управляющим сигналам от устройства управления.

На практике распространены два вида структур ОПУ: жесткая и магистральная.

В ОПУ с жесткой структурой /2/ комбинационные схемы жестко распределены меж­ду всеми регистрами. К каждому регистру относится свой набор комбинационных схем, позволяющих реализовать определенные микрооперации. Пример ОПУ с жесткой структурой, обеспечивающего выполнение операций типа «сложение», приведен на рис.2.5.

В состав ОПУ входят три регистра со своими логическими схемами:

· регистр первого слагаемого РСл1 и схема ЛРСл1;

· регистр второго слагаемого РСл2 и схема ЛРСл2;

· регистр суммы РСм и схема комбинационного сумматора См.

Логическая схема ЛРСл2 реализует микрооперации передачи второго слагаемого из РСл2 на левый вход сумматора:

· прямым кодом ЛСм:= РСл2 (по сигналу управления В₁РСл2);

· инверсным кодом ЛСм:= РСл2 (по сигналу управления В₁РСл2);

· со сдвигом на один разряд влево ЛСм := L1(РСл2 • 0) (по сигналу управления L1РСл2).

Логическая схема ЛРСл1 обеспечивает передачу результата из регистра РСм в регистр РСл1:

· прямым кодом РСл1 := РСм (по сигналу управления П₂РСл1);

· со сдвигом на один разряд влево РСл1 := L1(PCм • 0) (по сигналу управления L₁PCм);

· со сдвигом на два разряда вправо РСл1 := R2(s • s • РСм) (по сигналу управления R₁PCм).

Комбинационный сумматор См предназначен для суммирования (обычного или по модулю 2) операндов, поступивших на его левый (ЛСм) и правый (ПСм) входы. Результат суммирования заносится в регистр РСм: РСм:= ЛСм + ПСм (по сигналу уп­равления П₂РСм) или РСм:= ЛСм ПСм (по сигналу управления П₂М2РСм).

Моделью ОПУ с жесткой структурой является так называемый I-автомат, с особенностями синтеза которого можно ознакомиться в /6/.

Затраты времени на выполнение операций типа «сложение» в ОПУ с жесткой структурой равны

Т_Ж = t_B + t_c + t_п,

где t_B – длительность микрооперации выдачи операндов из регистров; t_c – про­должительность микрооперации «сложение»; t_п – длительность микрооперации приема результата в регистр.

Достоинством ОПУ с жесткой структурой является высокое быстродействие, недостатком – малая регулярность структуры, что затрудняет реализацию таких ОПУ в виде больших интегральных схем.

В ОПУ с магистральной структурой все внутренние регистры объединены в от­дельный узел регистров общего назначения (РОН), а все комбинационные схе­мы – в операционный блок (ОПБ), который зачастую ассоциируют с термином «арифметико-логическое устройство».

Операционный блок и узел регистров сообщаются между собой с помощью магистралей – отсюда и название «магистральное ОПУ».

В состав узла РОН здесь входят N регистров общего назначения, подключае­мых к магистралям А и В через мультиплексоры MUX А и MUX В. Каждый из мульти­плексоров является управляемым коммутатором, соединяющим выход одного из РОН с соответствующей магистралью. Номер подключаемого регистра определя­ется адресом а или b, подаваемым на адресные входы мультиплексора из устрой­ства управления.

По магистралям А и В операнды поступают на входы операционного блока, к ко­торым подключается комбинационная схема, реализующая требуемую микроопе­рацию (по сигналу управления из УУ). Таким образом, любая микрооперация ОПБ может быть выполнена над содержимым любых регистров ОПУ. Результат мик­рооперации по магистрали С заносится через демультиплексор DМХ С в конкрет­ный регистр узла РОН. Демультиплексор представляет собой управляемый ком­мутатор, имеющий один информационный вход и N информационных выходов. Вход подключается к выходу с заданным адресом с, который поступает на адрес­ные входы DМХ С из УУ.

Моделью ОПУ с магистральной структурой является М-автомат /6/.

Затраты времени на сложение в магистральных ОПУ больше, чем в ОПУ с жесткой структурой:

Т_М = t_B + t_С + t_П + t_MUX + t_DMX = t_ж + t_MUX + t_DMX,

где t_MUX – задержка на подключение операндов из РОН к ОПБ; t_DMX – задержка на подключение результата к РОН.

Основным достоинством магистральных ОПУ является высокая универсаль­ность и регулярность структуры, что облегчает их реализацию на кристаллах ИС. Вообще говоря, магистральная структура ОПУ в современных ВМ является наиболее распространенной.