 |
Методы повышения быстродействия АЛУ
|
|
|
|
АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
Арифметико – логические устройства (АЛУ) служат для выполнения арифметических и логических операций над операндами и адресами, а также для формирования некоторых осведомительных сигналов о результатах выполненных операций.
Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:
¨ операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;
¨ операции двоичной (шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;
¨ операции десятичной арифметики над числами, представленными в двоично-десятичном коде;
¨ операции адресной арифметики (при модификации адресов команд);
¨ операции специальной арифметики (нормализация, сдвиг);
¨ логические операции;
¨ операции над алфавитно-цифровыми полями.
Для выполнения перечисленных операций в АЛУ включают следующие функциональные узлы:
¨ сумматор (для выполнения суммирования и других действий над кодами операндов);
¨ регистры (для хранения кодов операндов на время выполнения действия над ними);
¨ сдвигатели (для сдвига кода на один или несколько разрядов вправо или влево);
¨ преобразователи (для преобразования прямого кода числа в обратный или дополнительный);
¨ комбинационные схемы (для реализации логических операций, мультиплексирования данных, управляемой передачи информации, формирования признаков результата).
Регистры и в некоторых случаях сумматоры имеют цепи управления приемом, выдачей и сбросом кодов операндов. Логические операции, операции сдвига и преобразования кодов могут выполняться не только специальными устройствами, но и с помощью дополнительных связей регистров и сумматора.
|
|
|
Структура алу
Обобщенная структурная схема АЛУ (рис. 1) включает:
¨ блок регистров для приема и размещения операндов и результатов;
¨ операционный блок (ОБ), в котором осуществляется преобразование операндов в соответствии с реализуемыми алгоритмами;
¨ схемы контроля, обеспечивающие непрерывный оперативный контроль и диагностирование ошибок;
¨ блок управления (БУ), в котором после приема кода операции (КОП) из центрального устройства управления формируются управляющие сигналы (УС), координирующие взаимодействие всех узлов АЛУ между собой и с другими блоками процессора.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема АЛУ.
Блок регистров связан с РОН центрального процессора и кэш-памятью данных.
Иногда АЛУ не содержит своего БР, в этом случае операционный блок непосредственно работает с регистрами общего назначения процессора. Для оперативного управления выполнением операции в ОБ на разных этапах анализируется преобразуемая информация и формируются сигналы признаков (флаги), которые используются в БУ для выработки и посылки в процессор сигнала признака результата (ПРез).
Для оценки АЛУ используются следующие характеристики: множество выполняемых операций, разрядность, время выполнения операций, надежностные и энергетические характеристики.
Сумматоры АЛУ делятся:
¨ по типу использования для суммирования базовых элементов (комбинационные и накапливающие);
¨ по способу осуществления операции суммирования (последовательные и параллельные).
Сумматоры последовательного действия выполняются, как правило, на комбинационных элементах; на сегодняшний день устройства такого типа почти не применяются. В АЛУ современных ЭВМ средней и высокой производительности применяются сумматоры параллельного действия, выполняемые на накапливающих или комбинационных элементах.
|
|
|
Классификация АЛУ
По способу представления чисел:
¨ для чисел с фиксированной точкой;
¨ для чисел с плавающей точкой;
¨ для десятичных чисел.
По способу действия над операндами:
¨ параллельные;
¨ последовательные.
В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.
В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами.
По выполняемым функциям АЛУ подразделяются на:
¨ многофункциональные;
¨ функциональные (блочные).
В многофункциональных АЛУ все возможные операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.
В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными и алфавитно-цифровыми полями, операции умножения выполняются в отдельных блоках. Такой подход позволяет увеличить скорость работы АЛУ за счет использования быстродействующих блоков, а также за счет организации параллельной работы этих блоков. Однако в этом случае значительно увеличиваются затраты на оборудование.
По структурной организации АЛУ подразделяются на устройства, имеющие:
¨ регистровую структуру с непосредственными связями и закрепленной логикой;
¨ магистральную структуру с сосредоточенной памятью и логикой.
В АЛУ с регистровой структурой за каждым из регистров закреплена своя логическая схема, используемая для выполнения микрооперации
В АЛУ с магистральной структурой регистры выделены в отдельный блок, а схемы для преобразования информации выделены также в отдельный операционный блок, который связан с блоками регистров по входам и выходам. Блок регистров осуществляет функции приема, хранения и выдачи операндов и результатов, а операционный блок выполняет весь набор микроопераций над словами, хранимыми в блоке регистров. Структура же операционного блока имеет следующие модификации:
¨ последовательное соединение операционных узлов;
¨ параллельное соединение операционных узлов.
Методы повышения быстродействия АЛУ
|
|
|
Одним из таких методов является реализация принципа локального параллелизма. Суть этого принципа – в распараллеливании во времени алгоритма выполняемой отдельно команды на ряд независимых этапов и их реализации на различных операционных блоках АЛУ.
Второй хорошо известный метод – конвейерная обработка. Операционный блок разделяется на несколько частей – уровней конвейера. На каждой ступени выполняется определенная стадия операции (например, считывание операндов, сравнение порядков чисел, сложение мантисс чисел и так далее). Совмещение стадий выполнения нескольких операций на различных ступенях конвейера приводит к тому, что реализация следующей операции начинается до окончания предыдущей. Это значительно увеличивает быстродействие операционного блока.
Другой способ сокращения длительности выполнения многотактных операций – использование эффективных алгоритмов. При использовании таких алгоритмов сочетается использование быстродействующих блоков, одновременно анализа нескольких разрядов операндов и реализация конвейерного метода обработки.
Наиболее новый способ увеличения быстродействия всех блоков процессора ЭВМ – введение векторных операций – операций над упорядоченными массивами данных (в суперЭВМ векторные операции появились давно, в связи с чем в составе процессоров появилась специализация устройств по типам операндов – скалярные и векторные). Например, в современных процессорах появились регистровая память и средства обработки двух типов: векторные и скалярные.
К векторным средствам обработки относятся:
¨ один или несколько арифметических конвейеров для обработки элементов векторов;
¨ векторные регистры для хранения векторной информации.
Векторные средства обработки данных позволяют увеличить производительность ЭВМ в несколько раз.
|
|
|
