Составил студент 2103 группы Яргунов Александр. 1. АЛУ АЛУ 2. Основные функции АЛУ Основные функции АЛУ 3. История История 4. Организация и принципы действия. - презентация

1 Составил студент 2103 группы Яргунов Александр

2 1. АЛУ АЛУ 2. Основные функции АЛУ Основные функции АЛУ 3. История История 4. Организация и принципы действия Организация и принципы действия 5. Количественные характеристики Количественные характеристики 6. Организация и принципы действия Организация и принципы действия 7. Операции в АЛУ Операции в АЛУ 8. Функции регистров, входящих в АЛУ Функции регистров, входящих в АЛУ 9. Подробная классификация АЛУ Подробная классификация АЛУ 10. Элементы структуры и особенности организации МК Элементы структуры и особенности организации МК 11. Обобщенная структурная схема автомата Обобщенная структурная схема автомата 12. Разработка алгоритма устройства Разработка алгоритма устройства 13. Разработка алгоритма устройства Разработка алгоритма устройства

3 Арифме́тико-логи́чешское устро́йство (АЛУ) блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, представляемыми в виде машинных слов, называемыми в этом случае операндами. Арифме́тико-логи́чешское устро́йство Содержание

4 Арифметико-логичешское устройство функционально можно разделить на две части : а) микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд); б) операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд). Структурная схема АЛУ и его связь с другими блоками машины Содержание

5 Современные АЛУ выполняют функции двоичной арифметики для данных в формате с фиксированной точкой; функции двоичной арифметики для данных в формате с плавающей точкой; функции арифметики двоично-десятичного представления данных; логические операций (в том числе сдвиги арифметические и логические); операции пересылки данных; работу с символьными данными; работу с графическими данными. Содержание

6 Разработчик компьютера ENIAC, Джон фон Нейман, был первым создателем АЛУ. В 1945 году он опубликовал первые научные работы по новому компьютеру. Годом позже он работал со своими коллегами над разработкой компьютера для Принстонского института новейших исследований (IAS). Архитектура этого компьютера позже стала прототипом архитектур большинства последующих компьютеров. В своих работах фон Нейман указывал устройства, которые, как он считал, должны присутствовать в компьютерах. Среди этих устройств присутствовало и АЛУ. Фон Нейман отмечал, что АЛУ необходимо для компьютера, поскольку оно гарантирует, что компьютер будет способен выполнять базовые математические операции включая сложение, вычитание, умножение и деление. Содержание

7 Одноразрядное троичное бинарное (двухоперандное) АЛУ с унарным (одноразрядным) выходом (полуАЛУ) может выполнять до троичных бинарных (двухоперандных) функций (операций) с унарным (одноразрядным) выходом. Одноразрядное троичное бинарное (двухоперандное) АЛУ с бинарным (двухразрядным) выходом может выполнять до троичных бинарных (двухоперандных) функций (операций) с бинарным (двухразрядным) выходом. Содержание

8 Количественные характеристики определяют скорость выполнения операций время выполнения одной операции точность представления данных количество выполняемых операций. Среднюю скорость выполнения операций Vср. в АЛУ можно определить как отношение N(T)- количества операций выполненных за отрезок времени Т к данному отрезку времени Vср = N(T)/T Среднее время которое АЛУ тратит на выполнение операции равно Точность представления данных в АЛУ зависит от разрядной сетки АЛУ и выбранного формата данных. Содержание

9 Одноразрядное двоичное бинарное (двухоперандное) АЛУ с бинарным (двухразрядным) выходом может выполнять до двоичных бинарных (двухоперандных) функций (операций) с бинарным (двухразрядным) выходом. Схема одноразрядного бинарного (двухоперандного) троичного полуАЛУ в трёх битной одно единичной системе троичных логических элементов Содержание

10 Арифметико-логичешское устройство в зависимости от выполнения функций можно разделить на две части: 1. Микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд); 2. Операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд). Содержание

11 Все выполняемые в АЛУ операции являются логическими операциями (функциями), которые можно разделить на следующие группы: операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой; операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой; операции десятичной арифметики; операции индексной арифметики (при модификации адресов команд); операции специальной арифметики; операции над логическими кодами (логические операции); операции над алфавитно-цифровыми полями. Содержание

12 К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычитание модулей («короткие операции») и умножение и деление («длинные операции»). Группу логических операций составляют операции дизъюнкция (логичешское ИЛИ) и конъюнкция (логичешское И) над многоразрядными двоичными словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды, знаковый разряд остаётся на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обширна группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации Содержание

13 Два многоразрядных операнда (числа, буквы, символы и т.д.), подлежащие обработке в АЛУ, подаются на входы А и В. Результат выполнения операции появляется на выходе F. Вид операции, выполняемой в АЛУ, определяется сигналами, которые подаются на входы S и M.

14 Рг 1 аккумулятор (или аккумуляторы) главный регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений; Рг 2,Рг 3 регистры операндов (слагаемого/сомножителя/делителя/делимого и др.) в зависимости от выполняемой операции; Рг 4 регистр адреса (или адресные регистры), предназначенные для запоминания (бывает что формирования) адреса операндов результата; Рг 6 k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов; Рг 7 l вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов. Содержание

15 Операционные устройства можно классифицировать по виду обрабатываемой информации, по способу обработки информации и логической структуре. Содержание

16 Основу структуры МК образует внутренняя двунаправленная 8- битная шина, которая связывает между собой все устройства БИС: 1. арифметическо - логичешское устройство (АЛУ); 2. устройство управления; 3. память и порты ввода/вывода информации. Структурная схема МК48 Содержание

17 На стадии абстрактного синтеза обычно пользуются представлением автомата в виде одного блока, имеющего один вход и один выход. На стадии структурного синтеза автомат изображают в виде обобщенной структурной схемы, приведенной на рисунке 2.2 т n входных и m выходных каналов, по которым в подавляющем большинстве случаев передаются двоичные сигналы x 1, x 2,…, x n и z 1, z 2,…, z m. Переменные x 1, x 2,…, x n называют входными переменными, а z 1, z 2,…, z m – выходными переменными или функциями выходов автомата. Содержание

18 В общем случае комбинационная схема в приведенной структурной схеме автомата может решать несколько различных задач. Если эту схему разбить на подсхемы так, чтобы каждая задача решалась отдельной подсхемой, то структурная схема автомата может быть представлена в виде, изображенном на рис В этой схеме комбинационная схема КС1 вырабатывает функции выхода, КС2 – функции возбуждения, преобразователь кодов ПК1 используется для перекодирования входных сигналов, а преобразователь кодов ПК2 – для преобразования выходных сигналов. Наличие преобразователей кодов ПК1 и ПК2 не является обязательным в структурной схеме автомата, но в некоторых случаях их включение в схему позволяет добиться уменьшения сложности, упростить процесс построения или контроля работы схемы автомат Структурная схема с преобразователями входных и выходных сигналов

19 В автомате Мили каждая функция выхода z i определяет соответствующий компонент набора выходных сигналов. Функции выхода при структурном синтезе соответствуют функции выхода абстрактного автомата. Они зависят от внутренних переменных y 1, y 2,…, y h и входных переменных х 1, х 2,…, х n. Существенно, что значения переменных, определяющих z i, относятся всегда к одному и тому же моменту времени, поэтому функции выхода являются переключательными функциями: Функции выхода автомата Мура в каждый момент времени определяют совокупность выходных сигналов: Содержание

20 Исходные данные: – разрядность операндов – 8 бит; – разрядность результата – 8 бит; – элемент памяти – ПЗУ; – формат операндов и результата – 8 бит; Содержание

21 Построим алгоритм заданного логического устройства. Распишем все возможные комбинации сочетания знаков чисел, поступающих на вход устройства с учетом типа операции: 1.A+B 2.А+(-В) 3.-А+В 4.-А+(-В) 5.А-В 6. А – (-В) 7.-А-В 8.-А – (-В Учтя особенности сложения и вычитания в двоичном коде, получим: 1. А+В 2. А+Вд 3. Ад+В 4. Ад+Вд 5. А+Вд 6. А+В 7. Ад+Вд 8. Ад+В, где д – означает число, переведенное в дополнительный код. Содержание

22 Теперь мы имеем все данные для построения алгоритма, построим его: Алгоритм арифметико- логического устройства Содержание

23 Входные сигналы К1, К2, К3, К4, К5, X8, По размеченно му алгоритму построим таблицу переходов- выходов автомата Мили. Содержание

24 Первые микропроцессорные АЛУ простейшего типа были универсальными и могли выполнять стандартный набор микроопераций. Программируя последовательность микроопераций можно было реализовать множество операций. На рисунке 4.6 приведена схема АЛУ включающая 3 ступени. 1-я ступень предназначена для выполнения логических и арифметических операции на уровне формирования полусуммы 2-я ступень предназначена для формирования переноса 3-я ступень - для формирования полных сумм. Ai, Bi - разряды операндов. Сигналы S 0, S 1, S 2, S 3 задают входные сигналы АЛУ S 4 определяет тип операции (арифметическая или логическая) и учет переноса при выполнении арифметической операции. Содержание

25 Такт 1. Загрузка модулей операндов в регистры RGX, RGY, а их знаков – в триггеры TX и TY. Сброс в "0" регистра результата RGZ. Такт 2. Запись знака результата в триггер TZ. Такт 3. Сдвиг регистра RGX на один разряд вправо. Через время, равное задержке на переключение регистров и комбинационных схем, на выходе комбинационного сумматора и, следовательно, на входе регистра RGZ устанавливается результат 0+y 1 |X|2 -1. Такт 4. Загрузка RGZ: |Z|=|Z|+y 1 |X|2 -1. Такт 5. Сдвиг RGX на 1 разряд вправо: |X| = |X|2 -1. Такты (6,7), (8,9), (10,11)... Повтор действий тактов (4,5) с анализом других значений y i. В такте 10 в регистре RGZ формируется модуль произведения. Такт 11 используется лишь для определения условия окончания операции умножения. Содержание

26 схема, представленная фон-Нейманом, по которой был построен первый компьютер. Эта схема иногда называется схемой машины фон- Неймана

27 Прежде, чем компьютеры стали такими, как сейчас, сменилось множество поколений цифровых вычислительных машин, в каждом из которых разработчики старались исправить недостатки предшествующих поколений. Таким образом, ЭВМ становились всё быстрее (производительнее), надёжнее, меньше и дешевле, пока не стали доступны массовому потребителю. После следующих усовершенствований в самых различных направлениях компьютеры приняли знакомый нам вид. И тем не менее, хоть и осуществлялись и по-прежнему осуществляются самые различные научные разработки, чтобы поменять архитектуру (внутреннее логичешское строение) современных ЭВМ, всё же архитектура известного учёного- математика фон-Неймана, разработанная ещё в 40-е годы 20-го века, по которой был создан первый в мире компьютер, по-прежнему заложена в строении фактически любого современного компьютера. Сейчас этой архитектуре по огромному ряду параметров просто нет никакой альтернативы, поэтому, чтобы понять, как работают наши современные компьютеры, нам достаточно изучить работу машины фон-Неймана. Современный компьютер работает по тем же самым принципам, которые несколько усложнены и доработаны дополнительными улучшениями, сохраняющими всю основную логику работы ЭВМ.

28 устройство ввода и вывода данных, например, клавиатуру и монитор внешнее запоминающее устройство – как правило, это жёсткий диск, но таким устройством может быть и флешка и любое другое устройство с достаточным количеством памяти, подключаемое к компьютеру оперативную память для хранения кода выполняемых нами программ и требуемых для работы этих программ данных арифметико-логичешское устройство (АЛУ), выполняющее все арифметические и логические операции – команды, которые прописаны в программе, вычисляющей свои данные счётчик команд, который хранит номер текущей команды и после её выполнения переключается на номер следующей команды (например, после выполнения команды с номером 1544 он переключится на номер команды 1545). В оперативной памяти все команды хранятся по номерам, поэтому счётчик команд в начале команды даёт указание оперативной памяти, команду с каким номер нужно выполнить, а затем формирует номер следующей команды регистр команд, принимающий всю команду из оперативной памяти и направляющий её на дешифратор команд дешифратор команд, который анализирует саму команду и формирует логические управляющие сигналы уже на само АЛУ

29 Допустим, что мы запустили программу, которой сейчас нужно сложить 2 числа Aи B (C=A+B). При этом оперативная память компьютера содержит всю нашу программу, разбитую на много отдельных инструкций – команд. Поэтому сейчас оперативная память дошла до команды сложения двух чисел A и B. Это команда в оперативной памяти выглядит следующим образом (как пример, числа могли бы быть и другими): Адрес выполняемой команды Код операции Адрес первого числа A Адрес второго числа B Адрес результата

30 АЛУ имеет очень простую структуру: RGA – это регистр, хранящий значение числа A RGB – это регистр, хранящий значение числа И SM -- сумматор RGSM – регистр, хранящий значение с выхода сумматора (результат операции сложения