www.wikidata.uk-ua.nina.az

Арифметико логічний пристрій АЛП англ Arithmetic Logic Unit ALU блок процесора що служить для виконання арифметичних та

Арифметико-логічний пристрій

Арифметико-логічний пристрій (АЛП) (англ. Arithmetic Logic Unit, ALU) — блок процесора, що служить для виконання арифметичних та логічних перетворень над даними, що іменуються операндами. Цей пристрій є фундаментальною частиною будь-якого обчислювача, навіть найпростіші мікроконтролери мають його в складі свого ядра.

Центральний процесор та відеопроцесор можуть мати кілька АЛП, що відрізняються своїм функціональним призначенням або типом оброблюваних даних.

Історія Редагувати

Символ АЛП, де A та B — операнди, R — результат, F — код операції та D — статусні біти

Концепція АЛП була запропонована математиком Джоном фон Нейманом 1945, коли він працював над новим комп'ютером — EDVAC (англ. Electronic Discrete Variable Computer). В його публікації була досить докладно розглянута структура обчислювальної системи, в якій знайшлося місце для арифметичного пристрою. Фон Нейман зазначав, що наявність цього компонента є гарантією того, що комп'ютер здатний виконувати базові математичні операції, серед яких додавання, віднімання, множення та ділення.

Дослідження АЛП залишається важливою частиною комп'ютерної науки, що підпадають під арифметичні і логічні структури в системі класифікації ACM.

Класифікація Редагувати

Умовне графічне позначення мікросхеми К155ИП3

Арифметико-логічні пристрої можуть класифікуватися за багатьма ознаками:

За структурою Редагувати

  • з розподіленою логікою (з закріпленими мікроопераціями);
  • з зосередженою логікою (з загальними мікроопераціями).

В першому випадку, апаратура для реалізації обчислень закріплена за регістрами та розділена між ними, тобто кожен з них використовує власну логіку для виконання операцій. У пристроях другого типу вся апаратура об'єднана в АЛП, а всі регістри — в регістровому файлі.

АЛП другого типу також можна класифікувати:

За типом запису даних Редагувати

  • послідовні;
  • паралельні;
  • послідовно-паралельні.

В основу цієї класифікації покладено особливості роботи цифрового регістра.

За архітектурними особливостями Редагувати

  • з двоспрямованою шиною та одноадресним регістровим файлом;
  • з односпрямованою шиною та одноадресним регістровим файлом;
  • з односпрямованою шиною та двоадресним регістровим файлом.

Використання двоадресного блоку регістрів чи шини дозволяє збільшити швидкодію, адже запис та читання даних може відбуватися одночасно.

За формою подання даних Редагувати

В деяких ЕОМ передбачається спеціальний режим цілих чисел, за якого кома фіксується за останнім розрядом.

За основою системи числення операндів Редагувати

Окрім наведених, можливі й варіанти АЛП, що працюють в системах числення з основою 2k, де k — додатне ціле число.

Залежно від часу виконання операцій Редагувати

  • синхронного типу;
  • асинхронного типу;
  • комбінованого типу.

На виконання всіх обчислень в синхронних АЛП відводиться один і той самий час. Проте в асинхронних, витрачається стільки тактів, скільки потрібно, а наступна операція почне виконуватись лише після сигналу про завершення поточної. Комбіновані були створенні для поєднання простоти та швидкодії і поділяють всі операції на дві групи — одно- та багатотактні. Операції першої групи виконуються за синхронним принципом, а другої — асинхронним.

Залежно від реалізації мікроалгоритму Редагувати

  • зі схемним керуванням;
  • з мікропрограмним керуванням.

Виконання цих операцій зводиться до виконання послідовності мікрооперацій на регістрах, суматорах та інших цифрових схемах, що входять до складу АЛП. Послідовність мікрооперацій, що приводить до виконання операцій, називають мікроалгоритмом.

Структура Редагувати

Мікросхема 74181

Кожен АЛП може бути представлений як композиція пристрою управління, що керує та операційним пристроєм, що безпосередньо виконує операції. Інколи окремо виділяють блок контролю, що слідкує за правильністю виконання операцій. Якщо пристрій має зосереджену логіку, то до цих компонентів додаються ще й регістри.

Пристрій управління Редагувати

Якщо АЛП має схемне керування, то його пристрій управління реалізується у вигляді цифрового автомату, що створює відповідні керуючі сигнали залежно від операції. Інакше, пристрій управління реалізується у вигляді комбінаційної схеми разом з постійним запам'ятовуючим пристроєм, що зберігає мікроалгоритм виконання кожної операції. В сучасних АЛП можуть використовуватися обидва підходи.

Операційний пристрій Редагувати

Операційний пристрій, зазвичай, складається з суматора та логічної схеми, що формує признаки результатів операцій, наприклад значення вихідного переносу, нульового результату та інші, що потім об'єднуються в регістрі стану.

Регістри Редагувати

Всередині АЛП можуть перебувати регістри для операндів, результату і стану. Інколи до них додають спеціалізовані індексні та регістри для збереження проміжних обчислень. Деякі з них, наприклад акумулятор, можуть бути доступними програмісту.

Набір операцій Редагувати

Однією з найважливіших характеристик будь-якого АЛП є набір операцій, що може виконуватися. Він має бути функціонально повним, щоб запрограмувати алгоритм, проте з метою підвищення швидкодії та спрощення програмування, вказаний набір має значну надлишковість. Кількість операцій може значно коливатися, наприклад від кількох десятків до кількох сотень, проте зазвичай це число відповідає степені двійки.

До найбільш поширених зараховують операції:

Система команд типового представника АЛП — мікросхеми 74181:

Входи Функція
S3S2S1S0 M = 0 (арифметична) M = 1 (логічна)
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
Структура мікросхеми 74181

Реалізація Редагувати

Розрядність пристрою сильно впливає на розрядність процесора, зазвичай вони збігаються. Проте через конструктивні особливості (кількість ніжок мікросхеми), АЛП, що випускаються в складі серій цифрових мікросхем, оперують 4-розрядними даними. Аби подолати це обмеження, застосовують прискорений груповий перенос (англ. group-carry lookahead). Таким чином можна сконструювати пристрій будь-якої розрядності.

Примітки Редагувати

  1. Ланский, Александр (4 липня 2019). . Tproger (ru-RU). Архів оригіналу за 6 грудня 2020. Процитовано 4 грудня 2020. 
  2. Burks, A. W., Goldstine, H. H., von Neumann, J. Preliminary discussion of the logical design of an electronic computing instrument, 1945
  3. ↑ Жабін В. І., Жуков В. А., Клименко І. А., Стіренко С. Г. Арифметичні та управляючі пристрої цифрових ЕОМ: Навчальний посібник. — К.: ВЕК+, 208. — 176 с. — ISBN 966-7140-11-3
  4. ↑ Бабич Н. П., Жуков И. А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и проектирования: Учебное пособие. — К.: «МК-Пресс», 2004. — 576 с., илл. — ISBN 966-96415-2-7. (рос.)
  5. ↑ John F. Wakerly Digital Design: Principles and Practices. — 4th Edition, 2005. — ISBN 0-13-186389-4 (англ.)

Див. також Редагувати

Література Редагувати

  • Лехин С. Н. Схемотехника ЭВМ. — Спб.: БХВ-Петербург, 2010. — 672 с.: ил. — ISBN 978-5-9775-0353-2. (рос.)
  • Процюк Р. О., Корнейчук В. И., Кузьменко П. В., Тарасенко В. П. Компьютерная схемотехника (краткий курс). — К.: «Корнійчук», 2006. — 433 с. — ISBN 966-7599-38-8. (рос.)
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Arifmetiko logichnij pristrij ALP angl Arithmetic Logic Unit ALU blok procesora sho sluzhit dlya vikonannya arifmetichnih ta logichnih peretvoren nad danimi sho imenuyutsya operandami 1 Cej pristrij ye fundamentalnoyu chastinoyu bud yakogo obchislyuvacha navit najprostishi mikrokontroleri mayut jogo v skladi svogo yadra Centralnij procesor ta videoprocesor mozhut mati kilka ALP sho vidriznyayutsya svoyim funkcionalnim priznachennyam abo tipom obroblyuvanih danih Zmist 1 Istoriya 2 Klasifikaciya 2 1 Za strukturoyu 2 1 1 Za tipom zapisu danih 2 1 2 Za arhitekturnimi osoblivostyami 2 2 Za formoyu podannya danih 2 3 Za osnovoyu sistemi chislennya operandiv 2 4 Zalezhno vid chasu vikonannya operacij 2 5 Zalezhno vid realizaciyi mikroalgoritmu 3 Struktura 3 1 Pristrij upravlinnya 3 2 Operacijnij pristrij 3 3 Registri 4 Nabir operacij 5 Realizaciya 6 Primitki 7 Div takozh 8 LiteraturaIstoriya Redaguvati nbsp Simvol ALP de A ta B operandi R rezultat F kod operaciyi ta D statusni bitiKoncepciya ALP bula zaproponovana matematikom Dzhonom fon Nejmanom 1945 koli vin pracyuvav nad novim komp yuterom EDVAC angl Electronic Discrete Variable Computer V jogo publikaciyi bula dosit dokladno rozglyanuta struktura obchislyuvalnoyi sistemi v yakij znajshlosya misce dlya arifmetichnogo pristroyu 2 Fon Nejman zaznachav sho nayavnist cogo komponenta ye garantiyeyu togo sho komp yuter zdatnij vikonuvati bazovi matematichni operaciyi sered yakih dodavannya vidnimannya mnozhennya ta dilennya Doslidzhennya ALP zalishayetsya vazhlivoyu chastinoyu komp yuternoyi nauki sho pidpadayut pid arifmetichni i logichni strukturi v sistemi klasifikaciyi ACM Klasifikaciya Redaguvati nbsp Umovne grafichne poznachennya mikroshemi K155IP3Arifmetiko logichni pristroyi mozhut klasifikuvatisya za bagatma oznakami 3 Za strukturoyu Redaguvati z rozpodilenoyu logikoyu z zakriplenimi mikrooperaciyami z zoseredzhenoyu logikoyu z zagalnimi mikrooperaciyami V pershomu vipadku aparatura dlya realizaciyi obchislen zakriplena za registrami ta rozdilena mizh nimi tobto kozhen z nih vikoristovuye vlasnu logiku dlya vikonannya operacij U pristroyah drugogo tipu vsya aparatura ob yednana v ALP a vsi registri v registrovomu fajli ALP drugogo tipu takozh mozhna klasifikuvati Za tipom zapisu danih Redaguvati poslidovni paralelni poslidovno paralelni V osnovu ciyeyi klasifikaciyi pokladeno osoblivosti roboti cifrovogo registra Za arhitekturnimi osoblivostyami Redaguvati z dvospryamovanoyu shinoyu ta odnoadresnim registrovim fajlom z odnospryamovanoyu shinoyu ta odnoadresnim registrovim fajlom z odnospryamovanoyu shinoyu ta dvoadresnim registrovim fajlom Vikoristannya dvoadresnogo bloku registriv chi shini dozvolyaye zbilshiti shvidkodiyu adzhe zapis ta chitannya danih mozhe vidbuvatisya odnochasno Za formoyu podannya danih Redaguvati z fiksovanoyu komoyu z ruhomoyu komoyu universalni V deyakih EOM peredbachayetsya specialnij rezhim cilih chisel za yakogo koma fiksuyetsya za ostannim rozryadom Za osnovoyu sistemi chislennya operandiv Redaguvati dvijkovi trijkovi desyatkovi shistnadcyatkovi Okrim navedenih mozhlivi j varianti ALP sho pracyuyut v sistemah chislennya z osnovoyu 2k de k dodatne cile chislo Zalezhno vid chasu vikonannya operacij Redaguvati sinhronnogo tipu asinhronnogo tipu kombinovanogo tipu Na vikonannya vsih obchislen v sinhronnih ALP vidvoditsya odin i toj samij chas Prote v asinhronnih vitrachayetsya stilki taktiv skilki potribno a nastupna operaciya pochne vikonuvatis lishe pislya signalu pro zavershennya potochnoyi Kombinovani buli stvorenni dlya poyednannya prostoti ta shvidkodiyi i podilyayut vsi operaciyi na dvi grupi odno ta bagatotaktni Operaciyi pershoyi grupi vikonuyutsya za sinhronnim principom a drugoyi asinhronnim Zalezhno vid realizaciyi mikroalgoritmu Redaguvati zi shemnim keruvannyam z mikroprogramnim keruvannyam Vikonannya cih operacij zvoditsya do vikonannya poslidovnosti mikrooperacij na registrah sumatorah ta inshih cifrovih shemah sho vhodyat do skladu ALP Poslidovnist mikrooperacij sho privodit do vikonannya operacij nazivayut mikroalgoritmom Struktura Redaguvati nbsp Mikroshema 74181Kozhen ALP mozhe buti predstavlenij yak kompoziciya pristroyu upravlinnya sho keruye ta operacijnim pristroyem sho bezposeredno vikonuye operaciyi Inkoli okremo vidilyayut blok kontrolyu sho slidkuye za pravilnistyu vikonannya operacij 4 Yaksho pristrij maye zoseredzhenu logiku to do cih komponentiv dodayutsya she j registri Pristrij upravlinnya Redaguvati Yaksho ALP maye shemne keruvannya to jogo pristrij upravlinnya realizuyetsya u viglyadi cifrovogo avtomatu sho stvoryuye vidpovidni keruyuchi signali zalezhno vid operaciyi Inakshe pristrij upravlinnya realizuyetsya u viglyadi kombinacijnoyi shemi razom z postijnim zapam yatovuyuchim pristroyem sho zberigaye mikroalgoritm vikonannya kozhnoyi operaciyi V suchasnih ALP mozhut vikoristovuvatisya obidva pidhodi 4 Operacijnij pristrij Redaguvati Operacijnij pristrij zazvichaj skladayetsya z sumatora ta logichnoyi shemi sho formuye priznaki rezultativ operacij napriklad znachennya vihidnogo perenosu nulovogo rezultatu ta inshi sho potim ob yednuyutsya v registri stanu 4 Registri Redaguvati Vseredini ALP mozhut perebuvati registri dlya operandiv rezultatu i stanu 4 Inkoli do nih dodayut specializovani indeksni ta registri dlya zberezhennya promizhnih obchislen Deyaki z nih napriklad akumulyator mozhut buti dostupnimi programistu Nabir operacij RedaguvatiOdniyeyu z najvazhlivishih harakteristik bud yakogo ALP ye nabir operacij sho mozhe vikonuvatisya Vin maye buti funkcionalno povnim shob zaprogramuvati algoritm prote z metoyu pidvishennya shvidkodiyi ta sproshennya programuvannya vkazanij nabir maye znachnu nadlishkovist 3 Kilkist operacij mozhe znachno kolivatisya napriklad vid kilkoh desyatkiv do kilkoh soten prote zazvichaj ce chislo vidpovidaye stepeni dvijki Do najbilsh poshirenih zarahovuyut operaciyi 4 vstanovlennya konstanti invertuvannya konkatenaciya danih peremishennya operandiv mizh registrami dodavannya zbilshennya inkrement chi zmenshennya dekrement na odinicyu sho ye zruchnim dlya organizaciyi cikliv porozryadni bitovi logichni bulevi operaciyi kon yunkciya diz yunkciya viklyuchna diz yunkciya tosho logichni arifmetichni ta ciklichni zsuvi abo rotaciyi vlivo chi vpravo Sistema komand tipovogo predstavnika ALP mikroshemi 74181 5 Vhodi FunkciyaS3S2S1S0 M 0 arifmetichna M 1 logichna 0000 F A 1 C 0 displaystyle F A 1 C 0 nbsp F A displaystyle F bar A nbsp 0001 F A B 1 C 0 displaystyle F A land B 1 C 0 nbsp F A B displaystyle F bar A lor bar B nbsp 0010 F A B 1 C 0 displaystyle F A land bar B 1 C 0 nbsp F A B displaystyle F bar A lor B nbsp 0011 F 1111 C 0 displaystyle F 1111 C 0 nbsp F 1111 displaystyle F 1111 nbsp 0100 F A A B C 0 displaystyle F A A lor bar B C 0 nbsp F A B displaystyle F bar A land bar B nbsp 0101 F A B A B C 0 displaystyle F A land B A lor bar B C 0 nbsp F B displaystyle F bar B nbsp 0110 F A B 1 C 0 displaystyle F A B 1 C 0 nbsp F A B displaystyle F A oplus bar B nbsp 0111 F A B C 0 displaystyle F A lor bar B C 0 nbsp F A B displaystyle F A lor bar B nbsp 1000 F A A B C 0 displaystyle F A A lor B C 0 nbsp F A B displaystyle F bar A land B nbsp 1001 F A B C 0 displaystyle F A B C 0 nbsp F A B displaystyle F A oplus B nbsp 1010 F A B A B C 0 displaystyle F A land bar B A lor B C 0 nbsp F B displaystyle F B nbsp 1011 F A B C 0 displaystyle F A lor B C 0 nbsp F A B displaystyle F A lor B nbsp 1100 F A A C 0 displaystyle F A A C 0 nbsp F 0000 displaystyle F 0000 nbsp 1101 F A B A C 0 displaystyle F A land B A C 0 nbsp F A B displaystyle F A land bar B nbsp 1110 F A B A C 0 displaystyle F A land bar B A C 0 nbsp F A B displaystyle F A land B nbsp 1111 F A C 0 displaystyle F A C 0 nbsp F A displaystyle F A nbsp nbsp Struktura mikroshemi 74181Realizaciya RedaguvatiRozryadnist pristroyu silno vplivaye na rozryadnist procesora zazvichaj voni zbigayutsya Prote cherez konstruktivni osoblivosti kilkist nizhok mikroshemi ALP sho vipuskayutsya v skladi serij cifrovih mikroshem operuyut 4 rozryadnimi danimi Abi podolati ce obmezhennya zastosovuyut priskorenij grupovij perenos angl group carry lookahead 5 Takim chinom mozhna skonstruyuvati pristrij bud yakoyi rozryadnosti Primitki Redaguvati Lanskij Aleksandr 4 lipnya 2019 Kak rabotaet processor Tproger ru RU Arhiv originalu za 6 grudnya 2020 Procitovano 4 grudnya 2020 Burks A W Goldstine H H von Neumann J Preliminary discussion of the logical design of an electronic computing instrument 1945 a b Zhabin V I Zhukov V A Klimenko I A Stirenko S G Arifmetichni ta upravlyayuchi pristroyi cifrovih EOM Navchalnij posibnik K VEK 208 176 s ISBN 966 7140 11 3 a b v g d Babich N P Zhukov I A Kompyuternaya shemotehnika Metody postroeniya i proektirovaniya Uchebnoe posobie K MK Press 2004 576 s ill ISBN 966 96415 2 7 ros a b John F Wakerly Digital Design Principles and Practices 4th Edition 2005 ISBN 0 13 186389 4 angl Div takozh RedaguvatiMatematichnij spivprocesor Akumulyator procesor Sumator MikroshemaLiteratura RedaguvatiLehin S N Shemotehnika EVM Spb BHV Peterburg 2010 672 s il ISBN 978 5 9775 0353 2 ros Procyuk R O Kornejchuk V I Kuzmenko P V Tarasenko V P Kompyuternaya shemotehnika kratkij kurs K Kornijchuk 2006 433 s ISBN 966 7599 38 8 ros Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Arifmetiko logichnij pristrij amp oldid 35903111