Kaj je aritmetična logična enota (ALU)

12. 3. 2019

Kaj je ALU? Aritmetična logična enota, ena od komponent procesorja. V članku vas vabimo, da se naučite načel njegovega delovanja, zgodovine nastanka, glavnih značilnosti, izvedenih operacij, obstoječih klasifikacij ALU.

Opredelitev pojma

Aritmetična logična enota je ena od procesorskih enot, ki jih upravlja CU (kontrolna enota). Njegov namen je izvajati logične in aritmetične transformacije na podatkovnih operandih (operacijski argumenti, informacije, ki jih obdeluje program). Širina bitov operandov je v tem primeru velikost ali dolžina strojne besede.

Sodobna večnamenska ALU je danes sestavljena iz dveh delov:

  • Upravljalna naprava
  • Krmilna naprava. Izvaja sekundarno dešifriranje ukaznih kod, definira operacijo, ki se izvaja v aritmetični logični enoti.
, aritmetična logična enota računalnika

Niz izvedenih operacij

Pomembno je vedeti, kakšne operacije mora ALU opraviti, da bi imela funkcionalno popolnost. Praviloma je dovolj štiri:

  • Povabite se v pomnilnik naprave za branje ali pisanje informacij.
  • Zmanjšanje / povečanje.
  • Primerjava Pri tem se uresničuje možnost pogojnega prehoda.
  • Ustavite delovanje naprave.

Če se obrnemo na prve aritmetične logične naprave, bomo videli, da je bilo število operacij, ki jih opravljajo, omejeno na 16. mesto. Sodobne ALU so sposobne izvajati na stotine! Mimogrede, število operacij danes je najpomembnejša značilnost teh naprav.

Razvrstitev po ALU

Ne pozabimo, da je aritmetična logična enota krmilna naprava in operacijska enota. Vendar niso vse moderne in zgodovinske ALU enake. Nato dajemo najpogostejšo klasifikacijo.

S predstavitvijo informacij:

  • Plavajoča točka
  • S fiksno vejico.

Po načinu delovanja z operandi:

  • Vzporedno. V tem primeru ALU istočasno izvaja operacije na vseh bitih.
  • Zaporedno. V tem primeru se bodo postopki izvajali zaporedoma nad vsako od števk.
  • Vzporedno zaporedno. Podatkovna beseda je razdeljena na zloge. Obdelava informacij v taki ALU (aritmetični logični enoti) poteka vzporedno nad zlogi števk in zaporedno nad samimi zlogi.

O uporabi številskih sistemov: t

  • Binarno.
  • Binarni decimalni.
  • Octal.
  • Hex in tako naprej.

Glede na značilnosti uporabe vozlišč in elementov:

  • Blokasto. Za izvedbo posameznih aritmetičnih operacij se v sistem aritmetične logične enote procesorja uvedejo posebni bloki. Slednje vam omogočajo vzporedno obdelavo informacij.
  • Transportni trak Kakšna je razlika med to vrsto ALU? Vsaka operacija bo razdeljena na zaporedje mikro operacij. Izvajajo se za določene ukrepe (enake časovne intervale) na različnih nivojih takega transporterja. Operacija na toku operandov se tako izvede v vsakem taktnem ciklu.
  • Večnamensko. To so univerzalne ALU, ki so sposobne izvajati številne operacije v eni napravi. Vendar pa je za prilagoditev potrebno izvesti določeno operacijo z njeno kodo.

Glede na časovne značilnosti:

  • Sinhrono. V takih računalniških aritmetičnih logičnih enotah se vsaka operacija izvede v enem taktnem ciklu.
  • Asinhrono. Ustrezno ALU brez uničenja. Zagotavljajo visoko stopnjo hitrosti, kot se izvaja na kombiniranih vezjih.

Glede na značilnosti krmilne naprave:

  • Obvladovanje strojno-programske opreme.
  • S tesno logiko CU.
aritmetična logična enota je sestavni del

Glavne funkcije

Aritmetična logična enota je sestavni del računalniškega procesorja. ALU bo opravljal naslednje funkcije:

  • Binarna aritmetika za informacije v formatih s fiksno točko.
  • Binarna aritmetika za informacije v formatih s plavajočo vejico.
  • Binarna decimalna aritmetika.
  • Logične operacije (aritmetični in logični premiki).
  • Informacije o pošiljki.
  • Delo z znakovnimi podatki.
  • Delo z grafičnimi informacijami.

Glavne kvantitativne značilnosti

Komponente aritmetične logične enote (OU in UU) določajo kvantitativne značilnosti celotnega sistema ALU. To je zlasti naslednje:

  • Čas izvršitve ene operacije.
  • Hitrost operacij na splošno.
  • Število opravljenih operacij.
  • Natančnost zagotovljenih informacij.
aritmetična logična enota je sestavni del

Glavne značilnosti kakovosti

Aritmetična logična enota (ALU) je sestavni del procesorja. To določa njegove najpomembnejše kvalitativne značilnosti:

  • Strukturne značilnosti sistema ALU.
  • Tehnike kodiranja podatkov
  • Oblike za predstavitev informacij - s plavajočo ali fiksno točko.

Zgodovina

Avtor aritmetičnih logičnih naprav je John von Neumann, razvijalec računalnikov ENIAC (elektronski numerični reševalci).

Že leta 1945 je objavil prve znanstvene članke o njegovem izumu, računalniku EDVAC. Naslednje leto je s sodelavci sodeloval pri izdelavi takšne naprave na Inštitutu za napredne študije Princeton.

Arhitektura tega izuma ("von Neumannova arhitektura") je kasneje postala osnova, prototip arhitektur in večina naslednjih računalnikov. V svojih delih je znanstvenik izpostavil prisotnost naprav, ki so po njegovem mnenju obvezne za vsak računalnik. Med njimi je bila omenjena tudi ALU. Von Neumann je verjel, da je bila potrebna aritmetična logična naprava, ker je sistem omogočala izvajanje matematičnih osnovnih operacij. Tako: zbiranje in odštevanje, množenje in deljenje.

komponente aritmetične logične enote

Notranja naprava ALU

Zdaj smo že ugotovili, da je ALU mogoče pogojno razdeliti na dva dela:

  • CU (naprava firmware). Določa zaporedje ukazov in mikroinstrukcij.
  • OU. Tukaj se izvaja prej definirana sekvenca ukazov in mikroinstrukcij. Operativne naprave so nato razdeljene glede na vrsto informacij, ki se obdelujejo, metodo obdelave podatkov in logično strukturo.

Medtem ko je sestava ALU pogojno odvisna tudi od naslednjih stopenj:

  • Registri. Uporabljajo se za obdelavo podatkov, ki prihajajo iz pasivnega in RAM-a.
  • Logični ukazi. Uporabljajo se za obdelavo besed z mikroinstrukcijami. Slednje bo seveda prišlo iz UU - krmilne naprave.

Sama mikropravila so razdeljena v dve kategoriji:

  • Prihajajo iz zunanjega vira v ALU. Pokličite pretvorbo podatkov aritmetične logike.
  • Ustvarjeno v samem ALU. Vpliv na napravo z vdelano programsko opremo. S tem se spremeni običajen, standardni vrstni red ukazov.
aritmetično logična enota procesorja

Funkcije registra ALU

Da bi dobili idejo o delu ALU, moramo podrobneje preučiti funkcije njenih registrov:

  • Pr1. To je baterija ali baterije. Šteje se za glavni register naprave, v kateri se oblikuje rezultat opravljenih izračunov.
  • Pr2, Pr3. Registri operandov, odvisno od narave operacije, ki jo je treba izvesti - izraz, delitelj, množitelj itd.
  • Pr4. To je register naslovov. Zapomni (v drugih primerih obrazce) naslove operandov rezultata.
  • Pr6. Nekaj ​​indeksnih registrov. Njihova vsebina bo uporabljena za ustvarjanje naslovov.
  • Pr7. Pomožni registri. Na zahtevo razvijalca lahko postanejo baterije, indeksne ali celo uporabijo za shranjevanje vmesnih rezultatov izračuna.

Sedaj vam predlagamo, da se obrnete na določene algoritme dela ALU.

Dodatek

Funkcionalno je aritmetična logična enota sestavljena iz registra 1, registra 2, seštevalnika in krmilnega vezja.

Sedaj bomo zapisali aritmetično operacijo na cikle:

  1. Vrednost operanda št. 1, ki sodeluje pri operaciji dodajanja, vstopi v register 1 preko kodne vodila.
  2. Vrednost operanda št. 2, ki sodeluje pri operaciji dodajanja, vstopi v register 2 preko kodne vodila.
  3. V skladu s tem se vodilo z navodili pošlje krmilnemu vezju preko kodne vodila za izvedbo te operacije.
  4. Podatki iz registrov se premaknejo do seštevalnika. Nadalje krmilni tokokrog že daje ukaz za izvedbo dodajanja.
  5. Rezultat opravljene operacije gre v register 1.
  6. Rezultat delovanja aritmetične logične enote se nato prenese v rezultatni blok.
Alu aritmetično logična enota

Operacija odštevanja

Oglejmo si še eno preprosto aritmetično operacijo:

  1. Vrednost operanda št. 1, ki sodeluje pri operaciji odštevanja, se posreduje registru 1 na kodni vodilo.
  2. Vrednost operanda št. 2, ki sodeluje pri operaciji odštevanja, se posreduje registru 2 preko kodne vodila.
  3. Navodila za izvedbo tega algoritma so prikazana v navodilih vodila za krmilni krog.
  4. Pozitivno število se preoblikuje v negativno kontrolno shemo.
  5. Rezultat takšne transformacije operanda gre dlje v seštevalnik.
  6. Zbiralnik izvede dodajanje teh številk.
  7. Rezultat operacije gre v register 1.
  8. Rezultat operacije odštevanja se pošlje rezultatnemu bloku.

Operacije v napravi

In še eno temo za zadnje. Ne smemo pozabiti, da so vse operacije, ki se izvajajo v ALU, logične. Razdelimo jih lahko v naslednje kategorije:

  • Aritmetika indeksa.
  • Decimalna aritmetika.
  • Posebna aritmetika.
  • Binarna aritmetika za vrednosti v fiksni točki.
  • Binarna, heksadecimalna aritmetika za vrednosti s plavajočo vejico.
  • Preko alfanumeričnih polj.
  • Preko logičnih kod.
    aritmetično logično krmilno enoto

Aritmetična logična enota - glavni del procesorja katerega koli računalnika. Razvila ga je sredi prejšnjega stoletja slavni von Neumann. Zasnovan je za izvajanje preprostih aritmetičnih in logičnih operacij v računalniku. Danes obstaja veliko število sort ALU, kar je razvidno iz številnih predstavljenih klasifikacij teh naprav.