Вступ. 
Розробка багатофункціонального блоку арифметико-логічного пристрою

Обробка даних процесором здійснюється в АЛП, яке містить арифметико-логічний блок АЛБ, блок РОН, блок контролю БК і місцевий блок управління.

Арифметико-логічний блок містить універсальний двійковий комбінаційний суматор, двійково-десятковий суматор або схему десяткової корекції, регістри для тимчасового зберігання двох операндів і результату операцій, а також регістр прапорів. Для підвищення продуктивності в АЛУ можуть включати спеціалізовані вузли зрушення і множення, схеми прискореного перенесення і інші пристрої.

Розрядність АЛУ визначає розрядність усього процесора. Арифметико-логічний пристрій може функціонувати на основі мікропрограмного управління, коли кожна машинна операція ділиться на послідовність елементарних дій (передача слів, інверсія слів та ін.), що реалізовуються в тактах. Елементарне обчислення, що виконується в одному машинному такті, називається мікрооперацією. Усі операції в АЛУ реалізуються як послідовності мікрооперацій над двійковими словами, кожна з яких є сукупністю булевих операцій над бітами слів. Кожна мікрооперація ініціюється відповідними сигналами, що управляють. Сукупність мікрооперацій, що виконуються в одному такті, називається мікрокомандою. Зокрема, мікрокоманда може містити одну мікрооперацію або жодну.

У РОН зберігаються початкові дані, проміжні і кінцеві результати, адреси даних, константи, необхідні для виконання команди.

У АЛУ реалізуються наступні типові мікрооперації:

• * Передачі слів між регістрами і пам’яттю;
• * Складання двох слів, декремент (мінус 1) або інкремент (плюс 1) слова;
• * Арифметичні, логічні і циклічні зрушення управо або вліво;
• * Порозрядні логічні операції АБО, І, що виключає АБО і порівняння операндів;
• * Перетворення кодів слів — інверсія, доповнення, розширення та ін.

Для вибору порядку проходження мікрооперацій аналізуються логічні умови, які набувають значення одиниці (так) або нуля (ні) залежно від значень операндів і результатів обчислень. Мікроалгоритм операції в термінах мікрооперацій і логічних умов називається мікропрограмою. Кожна машинна операція має свою мікропрограму.

АЛУ може бути представлене композицією операційного і такого, що управляє пристроїв.

У операційному пристрої виконуються арифметико-логічні операції. Пристрій, що управляє, забезпечує виконання операцій за допомогою послідовності сигналів, що управляють, яку воно виробляє залежно від мікропрограми. У математичних моделях АЛУ, перший пристрій представлений операційним автоматом, а другий — керуючим автоматом (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Структура математичної моделі АЛУ

Операційний автомат (ОА) приймає на вході А операнди, на вході б — керуючі сигнали, передає на вихід Z результати операції і формує безліч значень логічних умов.

Автомат (УА), що управляє, приймає по входу X логічні умови і залежно від їх значень і коду операції по входу б формує послідовність керуючих сигналів.

АЛУ класифікують за наступними ознаками:

• * Способу обробки даних — паралельні, послідовні, паралельно-послідовні;
• * Системі числення — 2-ві, 8-ві, 10-ві, 16-ві, а також на основі спеціальних систем (залишкових класів, з штучним порядком ваги, чисел Фібоначчі та ін.);
• * Формі представлення чисел — з плаваючою або фіксованою комою, цілі двійкові і десяткові числа;
• * Часу виконання операцій — синхронні і асинхронні;
• * Способу виконання мікрооперацій — із закріпленими мікроопераціями, із загальними операціями;
• * Типу керуючого автомату — з схемною або програмованою логікою;
• * Методу побудови — багатофункціональні і блокові.

У синхронних АЛУ на виконання різних операцій відводиться один і той же інтервал часу, а в асинхронних — час виконання залежить від типу операції.

У АЛУ із закріпленими мікроопераціями кожен з регістрів за допомогою додаткових комбінаційних схем виконує певний набір мікрооперацій. При цьому комбінаційні схеми часто повторюються, що вимагає додаткових апаратних витрат.

У АЛУ із загальними мікроопераціями виділяють частину, що запам’ятовує, — блок регістрів, в яких виконуються однорідні мікрооперації (прийом операндів, їх зберігання і видачу), і комбінаційну частину, в якій зосереджені усі схеми для виконання мікрооперацій (формування кодів, зрушення, складання та ін.). Обидві частини з'єднуються між собою за допомогою мультиплексорів і демультиплексорів.

Арифметико-логічні пристрої із загальними мікроопераціями часто називають магістральними (до числових магістралей по черзі підключаються регістри).

Багатофункціональні (універсальні) АЛУ використовуються для виконання усього списку операцій. Блокові АЛУ складаються з окремих блоків, орієнтованих на виконання окремих типів операцій (наприклад, блок множення чисел з плаваючою комою). Такі структури використовуються у високопродуктивних комп’ютерах.

У АЛУ можливі два типи УА:

• * Зі схемною («жорсткою») логікою, що складається з елементів пам’яті (тригерів) і комбінаційних схем.
• * З програмованою (що зберігається в пам’яті) логікою: для кожної операції в спеціальній пам’яті (частіше в ПЗП) записується мікропрограма у вигляді послідовностей слів, що управляють, — мікрокоманд.

До складу ОА універсальних комп’ютерів входять (рис 2):

• * Арифметико-логічний блок (АЛБ);
• * Набір регістрів загального призначення (РОН);
• * Блок контролю.

У АЛБ виділяють комбінаційний суматор БМ, вхідні регістри, А і В для прийому операндів і вихідний регістр З для запису результату. У АЛБ є логічні схеми, що виробляють безліч сигналів логічних умов (ознак результату), наприклад, нульовий або негативний результат та ін.

Рис. 1.2 Узагальнена структура АЛУ

Регістри загального призначення використовують для прийому і зберігання операндів, проміжних і кінцевих результатів. Блок контролю забезпечує перевірку правильності виконання арифметико-логічних операцій. При виявленні помилок і збоїв в роботі ОА блок контролю посилає в УА код помилок.

У АЛУ поступає код операції від центрального облаштування управління. Застосування в АЛУ пристроїв управління з схемною логікою прискорює виконання операцій. Застосування УА з програмованою логікою забезпечує гнучкість мікропрограмування, дозволяє змінювати склад мікропрограм при введенні нових команд. У сучасних АЛУ можуть об'єднуватися обидва типи УА.

Пристрій управління ПУ керує процесом обробки даних, забезпечує основні режими роботи (початкових установок, очікування, переривання, прямого доступу до пам’яті, діагностики і контролю) і взаємодію усіх облаштувань комп’ютера. Для виконання цих функцій ПУ має у своєму складі регістр і дешифратор команд, програмний лічильник для завдання адреси наступної команди, блок управління і схеми синхронізації, діагностики і контролю.

Зазвичай АЛУ чотирирозрядні і для нарощування розрядності об'єднуються з урахуванням послідовних або паралельних перенесень.