 |
Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
|
|
|
|
Студент должен
Знать:
· Назначение и принцип работы арифметико-логического устройства, параметры.
Уметь:
· По заданным параметрам выбрать по справочнику микросхему компаратора (АЛУ).
| Арифметико-логическое устройство АЛУ(ALU, Arithmetic-Logic Unit)предназначено для выполнения логических и арифметических операций над двумя входными многоразрядными словами. |
АЛУ относится к комбинационному типу, т.е. состояние выходных сигналов устройства определяется комбинацией входных сигналов. Для фиксации операндов, результатов вычисления АЛУ работает в сочетании с элементами памяти: регистрами, оперативными запоминающими устройствами и другими элементами памяти.
АЛУ значительно дороже простых ИМС, но за счёт возможности программируемой смены выполняемых действий их применение часто оправдано.
Основой АЛУ служит сумматор, схема которого дополнена логикой, расширяющей функциональные возможности АЛУ и обеспечивающей его перестройку с одной операции на другую.
В качестве примера рассмотрим четырёхразрядное АЛУ, выполненное на ИМС К155ИП3. Условное обозначение АЛУ приведено на рисунке 7.16.
Рисунок 7.16
На рисунке 7.17 представлена логическая структура микросхемы К155ИП3.
Рисунок 7.17
Микросхема К155ИП3 предназначена для действий с двумя четырехразрядными словами A=A3A2A1A0 и В=В3В2В1В0.
Конкретный вид операции, выполняемой микросхемой, задается 5 -разрядным кодом на входах MS3S2S1S0. Всего это АЛУ способно выполнить 32 операции(25=32):
· 16 логических (И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, и сключающее ИЛИ и др.) при М=1;
· 16 арифметико-логических (сложение, вычитание, удвоение, сравнение чисел и ряд иных) при М=0.
При выполнении логических операций внутренние переносы запрещаются.
|
|
|
Операции сложения и вычитания проводятся с ускоренным переносом из разряда в разряд. Кроме того, имеется вход приема сигнала переноса Сn.
На выходах F3,F2,F2 и F0 формируются результаты логических преобразований и арифметических действий. На выходе переноса Сn+4 образуется сигнал старшего (пятого) разряда при выполнении арифметических операций.
Дополнительные выходы — образование ускоренного переноса G и распространение ускоренного переноса Р — используются только при организации многоразрядных АЛУ в случае их сочетания с блоком ускоренного переноса К155ИП4 (или 5 64ИП4 для микросхем КМОП), о чем будет сказано ниже.
Все виды операций и результаты вычислений применительно к положительной логике сведены в таблицу 7.3.
Таблица 7.3 - Функциональная зависимость выходов микросхемы К155ИПЗ от состояния выходов
| Выбор функции S3 S2 S1 S0 | Вход –выход (положительная логика) | |
| Логические функции (на входе М=1) | Арифметические операции (на входе М=0) | |
| 0 0 0 0 | 
| 
|
| 0 0 0 1 | 
| 
|
| 0 0 1 0 | 
| 
|
| 0 0 1 1 | 
| 
|
| 0 1 0 0 | 
| 
|
| 0 1 0 1 | 
| 
|
| 0 1 1 0 | 
| 
|
| 0 1 1 1 | 
| 
|
| 1 0 0 0 | 
| 
|
| 1 0 0 1 | 
| 
|
| 1 0 1 0 | 
| 
|
| 1 0 1 1 | 
| 
|
| 1 1 0 0 | 
| 
|
| 1 1 0 1 |
| 
|
| 1 1 1 0 |
| 
|
| 1 1 1 1 | A | 
|
В таблице истинности результаты арифметических операций выражены в дополнительном коде. Как отмечалось, числа в дополнительном и в обратном коде связаны простым соотношением Nдоп = No6p+1 или No6p=Nдоп - 1. Поэтому в тех строках таблицы 7.3, где указана операция «минус 1», результат арифметических действий представлен в обратном коде.
Старший разряд кода выбора операций (вход М) определяет характер действий, выполняемых АЛУ. Когда на этом входе сигнал высокого уровня, АЛУ производит логические операции поразрядно над каждой парой бит слов А и В. Внутренний перенос в этом режиме бездействует.
Если АЛУ выполняет логико-арифметическую операцию, логическая функция реализуется поразрядно, а арифметическая с переносом.
|
|
|
Например, входному коду MS3S2S1S0=011012 отвечает операция (А˅В) плюс А (третья снизу строка таблицы 7.3). Первой выполняется операция в скобках - (А˅В) - логическое сложение двух слов. Если А=10102 В=01112, то первая операция дает (А˅В)=11112. Второй выполняется операция арифметического сложения числа А с результатом логического сложения. Следовательно 11112 плюс 10102=111112.
При использовании АЛУ в качестве компаратора сигнал снимают с входа А=В (вывод 14). Этот выход — с открытым коллектором, и к источнику питания его следует подключать через внешний резистор 1 кОм.
Режим компаратора обеспечивается при М=1 и S3S2S1S0=01102. Когда числа А и В равны, на входе А=В формируется сигнал высокого уровня.
Одновременно на выходе Сn+4 (вывод 16) характеризует соотношение между числами А и В и в случае их неравенства согласно таблицы 7.4.
Для арифметических действий над словами большей длины АЛУ включают последовательно. В этом случае время суммирования определяется задержкой распространения сигнала переноса со входа младшего разряда до выхода с последнего АЛУ и составляет tзд.р=4τзд.р, где τ — задержка распространения сигнала переноса в одной АЛУ.
Таблица 7.4 - Таблица истинности микросхемы К155ИП3 в режиме четырёх разрядного компаратора (S3=0, S2=1, S1=1, S0=0)
| Вид логики | Состояние входов | Состояние выхода Сn+4 | |
| Сn | А и В | ||
| Положительная логика | А≤В | ||
| А<В | |||
| А>В | |||
| А≥В |
Уменьшить время суммирования можно применением микросхем К155ИП4 (564ИП4), специально разработанных для организации ускоренного переноса между отдельными АЛУ, а также между группами АЛУ. Со схемой ускоренного переноса время суммирования сокращается примерно до τзд.р. Изображение микросхемы приведено на рисунке 7.18.
Рисунок 7.18
Если при выполнении арифметических операций к быстродействию не предъявляется высоких требований, то при каскадировании АЛУ схемы ускоренного переноса не используют.
При помощи микросхемы К155ИП4 (564ИП4) можно сформировать ускоренный сквозной перенос при выполнении операции сложения группой из четырехАЛУ (16 -разрядные числа), что дает определенный выигрыш во времени сравнительно с последовательным переносом. Последовательное соединение нескольких таких микросхем, каждая из которых спарена с АЛУ, позволяет выполнять ускоренный перенос и с большим числом разрядов.
|
|
|
Сигналы образования группового переноса G0 – G3 и сигналы распространения группового переноса Р0-Р3 с выходов АЛУ подключают с учетом разрядности к соответствующим входам микросхемы ускоренного переноса (рисунок 7.19).
Рисунок 7.19
В случае наращивания микросхем ускоренного переноса (для чисел, число разрядов которых превышает 16) используются выходы Р и G. С помощью четырёх таких микросхем в сочетании с 16 микросхемами АЛУ можно построить 64-разрядное АЛУ.
Контрольные вопросы:
1. Какие функции выполняет АЛУ?
2. Какие устройства входят в структуру АЛУ?
3. Способно ли АЛУ хранить результат выполненной операции?
4. Объяснить назначение выводов микросхемы К155ИП3?
5. Сколько операций и какого характера может выполнить АЛУ?
6. При каких операциях разрешаются внутренние переносы?
7. Как запрограммировать АЛУ на выполнение арифметического суммирования, вычитания?
8. Объяснить в каких случаях на выходе микросхемы Сn+4 появится активный сигнал. О чем он указывает?
9. Какой результат выдаст АЛУ при подаче на его входы сигналов: А=0101; В=0010; S=1001; M=0; С=0?
10. В какой последовательности АЛУ будет выполнять операцию 
?
11. Привести пример использования АЛУ в качестве мультиплексора.
12. Можно ли использовать АЛУ в качестве четырехразрядного компаратора? Привести пример.
13. Как увеличить разрядность АЛУ для выполнения операций над восьмиразрядными операндами?
|
|
|
