Методические указания к лабораторный работам "АЛУ ЭВМ"

ВВЕДЕНИЕ

Назначением АЛУ является реализация арифметических, логических и других операций из списка операций. В состав современных процессоров обычно включаются АЛУ двух типов – целочисленные (с фиксированной запятой) и с плавающей запятой. Функционирование АЛУ осуществляется под управлением центрального устройства управления (ЦУУ) процессора. Для управления работой АЛУ обычно применяется один из двух вариантов: централизованное или децентрализованное (автономное) управление.

Централизованное управление используется в компьютерах класса RISC. При этом работой АЛУ управляет ЦУУ процессора путём выработки управляющих сигналов, обеспечивающих выборку операндов, выполнение операции, сохранение результата.

Децентрализованное управление используется в компьютерах класса CISC. При этом ЦУУ осуществляет выборку операндов из памяти в регистры АЛУ. Выполнением операции управляет не ЦУУ, а встроенное в АЛУ, автономное устройство управления, которое, приняв от ЦУУ код «g» операции f_gF, формирует сигналы, под управлением которых в АЛУ выполняется операция f_g. Запись результата операции f_g в память осуществляется опять под управлением сигналов ЦУУ.

Известно, что АЛУ с автономным устройством управления, ЦУУ процессора, контроллеры различных периферийных устройств относятся к классу операционных устройств (ОУ) [3]. Назначением ОУ является выполнение операций из заданного списка операций F=(f₁,…,f_G) над словами-операндами из списка D=(d₁,…,d_H) с целью получения слов-результатов R=(r₁,…,r_Q), причём в каждый момент времени в ОУ может выполняться одна операция R=f_g(D*) (рис. 1, а).

Организация ОУ базируется на принципе микропрограммного управления [3], в соответствии с которым любая операция f_gF рассматривается как сложное действие и разделяется на совокупность элементарных действий ‑ микроопераций (МО). Совокупность МО задаётся списком: СМО=(МО₁, …, МО_М). Порядок выполнения МО задаётся алгоритмом A_g операции f_gF. Элементарность микрооперации МО_mСМО означает, что для её выполнения достаточно операнды подать на входы специальной (уникальной) комбинационной схемы (КС) и, после завер-шения переходных процессов в ней (после паузы), сохранить (принять) результат с выхода КС_m. Пример: двоичный комбинационный сумматор обеспечивает выполнение МО сложения кодов (операндов А и В), подаваемых на входы А, В сумматора: C_out.С:= А+В+C_in, где С – сумма, C_in – значение на входе переноса в младший разряд сумматора, C_out – значение на выходе переноса из старшего разряда сумматора. Для сохранения (приема) результатов микроопераций с выходов комбинационных схем обычно используются регистры.

Рис. 1. Операционное устройство АЛУ: а – функциональная схема; б – временная диаграмма работы

Порядок выполнения МО в процессе выполнения операции f_gF задаётся алгоритмом A_g и зависит от значений логических условий (ЛУ). Логическое условие – булева переменная, которая принимает значение истина или ложь в зависимости от значений операндов и результатов МО, формируемых в процессе выполнения алгоритма A_g. Пример ЛУ: переменная Z (Zero) принимает значение 1 (истина), если результат МО равен 0, и значение 0 (ложь) – в противном случае. Логические условия используются в процессе выполнения алгоритма A_g в качестве условий (обычно) альтернативных переходов.

Алгоритм A_g, представленный в терминах МО и ЛУ, называется микропрограммой МП_g. Микропрограмма МП_g определяет (задаёт) порядок выполнений микроопераций и проверки логических условий во времени. Совокупность микропрограмм МП₁,…,МП_G определяет (задаёт) функцию ОУ. Так, функцию АЛУ задают МП всех операций из списка операций F_АЛУ, в который включаются обычно арифметические операции сложения, вычитания, умножения, деления, логические операции и другие.

Итак, для выполнения микроопераций МО₁,…,МО_M используются соответствующие комбинационные схемы КС₁,…,КС_M. Для сохранения результатов МО используются регистры. Для управления подачей операндов на входы КС (из различных регистров) используются специальные КС – мультиплексоры. Для управления записью результатов МО (с выходов различных КС) в регистры – демультиплексоры.

Часть ОУ, содержащая перечисленные выше схемы, образует исполнительную часть ОУ, которую принято называть операционным автоматом (ОА) устройства, в частности ‑ ОА АЛУ, (рис. 1, а). Назначение ОА – хранение слов информации, выполнение микроопераций из списка СМО=(МО₁, …МО_М) под воздействием управляющих сигналов Y=(y₁, …, y_М) из УА, формирование значений логических условий (осведомительных сигналов) X=(x₁, …, x_L) для УА.

Выполнение операции f_gF, задаваемой кодом операции «g» на управляющем входе ОУ, осуществляется в последовательности, заданной алгоритмом А_g, представленным в форме МП_g (другими словами, в ОУ по коду g запускается процесс выполнения микропрограммы МП_g). Управление процессом выполнения МП_g осуществляется частью ОУ, которая относится к классу конечных автоматов. Ее принято называть управляющим автоматом (УА) АЛУ (рис. 1, а). Назначение УА – управление работой ОА. Управление осуществляется путём выработки управляющих сигналов y_mY в той последовательности, которая задаётся микропрограммой МП_g операции f_gF и значениями осведомительных сигналов X=(x₁, …, x_L) из ОА. УА является управляющей (активной) частью ОУ.

Самый простой способ организации работы ОУ во времени – синхронный, при котором ОУ работает тактами. Такт – это фиксированный отрезок времени Т определённой длительности, задаваемый обычно как интервал времени между двумя соседними фронтами тактовых импульсов ТИ, вырабатываемых генератором тактовых импульсов с периодом Т (с частотой F=1/Т) (рис. 1, б). Этот отрезок времени (такт Т) отводится на выполнение (одной или нескольких) МО в ОУ и состоит из следующей последовательности этапов:

этап выработки управляющих сигналов y_mY в УА,
этап выборки операндов и выполнения МО_m в КС_m в ОА,
этап формирования ЛУ x_LX по результатам МО_m,
этап занесения результатов МО_m в регистры.

Далее эта последовательность этапов периодически повторяется с периодом Т до завершения процесса выполнения операции f_gF, т.е. до конца МП_g.

Такая организация работы ОУ называется синхронной. Положительный фронт тактового импульса ТИ (рис. 1, б) используется обычно как начало этапа 2, а отрицательный фронт (срез) ТИ ‑ как начало этапа 4. То есть по фронту запускается процесс выбора и подачи операндов на входы КС ОА, выполнения МО в КС и формирования значений ЛУ по результатам МО. А по срезу – процесс сохранения результатов МО и ЛУ в регистрах ОА с последующей выработкой управляющих сигналов в УА.

Продолжительность такта Т при синхронной организации работы ОУ определяется суммой продолжительностей этапов 1, 2, 3, 4 – τ₁+ τ₂+ τ₃+ τ₄, причём для наихудшего случая (максимальных по длительности МО и ЛУ):

Т= τ_УА+max(τ₁, …, τ_m)+max(τ_X₁, …, τ_XL)+ τ_сохр.. (1)

Здесь: τ₁=τ_УА=const – время формирования управляющих сигналов y_m в УА обычно постоянно, не зависит от того, какие управляющие сигналы y_mY вырабатываются в данном такте; τ₄=τ_сохр=const – время занесения результатов в регистры ОА. Время выполнения МО₁, …МО_М (по сигналам y₁, …, y_М), а также время формирования ЛУ x₁, …, x_L в общем случае разное (поскольку задержка сигналов в соответствующих КС ‑ разная), поэтому продолжительность этапов τ₂, τ₃ определяется как максимум от всех возможных значений.

Основные технические характеристики АЛУ – быстродействие и затраты оборудования [4]. Быстродействие определяется количеством операций f_gF, выполняемых АЛУ в единицу времени: V_g=1/t_g, и зависит от времени выполнения операции t_g=n_g∙T, где n_g – количество тактов на выполнение операции f_gF. Продолжительность такта Т=const, количество тактов n_g – величина переменная, зависит от сложности микропрограммы МП_g операции f_g и для сложных операций (умножение, деление) значений операндов.