19332

КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АУ

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

АК ЛЕКЦИЯ № 9 КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АУ РУС Структура алу Обобщенная структурная схема АЛУ рис. 7.1 включает: блок регистров для приема и размещения операндов и результатов; операционный блок в котором осуществляется преобразование операндов в с

Русский

2013-07-11

630.5 KB

14 чел.

АК ЛЕКЦИЯ № 9 КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АУ (РУС)

Структура алу

Обобщенная структурная схема АЛУ (рис. 7.1) включает:

- блок регистров для приема и размещения операндов и результатов;

- операционный блок, в котором осуществляется преобразование операндов в соответствии с реализуемыми алгоритмами;

- схемы контроля, обеспечивающие непрерывный оперативный контроль и диагностирование ошибок;

- блок управления (БУ), в котором после приема кода операции (КОП) из центрального устройства управления формируются управляющие сигналы (УС), координирующие взаимодействие всех узлов АЛУ между собой и с другими блоками процессора.

Блок регистров связан с РОН центрального процессора и кэш-памятью данных.

Иногда АЛУ не содержит своего БР, в этом случае операционный блок непосредственно работает с регистрами общего назначения процессора. Для оперативного управления выполнением операции в ОБ на разных этапах анализируется преобразуемая информация и формируются сигналы признаков (флаги), которые используются в БУ для выработки и посылки в процессор сигнала признака результата (ПРез).

Для оценки АЛУ используются следующие характеристики: множество выполняемых операций, разрядность, время выполнения операций, надежностные и энергетические характеристики.

Рис. 7.1. Обобщенная структурная схема АЛУ.

Сумматоры

Сумматоры АЛУ делятся:

  •  по типу использования для суммирования базовых элементов (комбинационные и накапливающие);
  •  по способу осуществления операции суммирования (последовательные и параллельные).

Сумматоры последовательного действия выполняются, как правило, на комбинационных элементах; на сегодняшний день устройства такого типа почти не применяются. В АЛУ современных ЭВМ средней и высокой производительности применяются сумматоры параллельного действия, выполняемые на накапливающих или комбинационных элементах.

Рис. 7.2. Сумматор параллельного действия (на накапливающих элементах).

В качестве накапливающих элементов могут служить обычные T-триггеры. Перед суммированием триггеры сумматора устанавливаются в нулевое состояние сигналом сброс. Затем на счетные входы триггеров подается первое слагаемое и запоминается. В следующем такте на входы триггеров подается второе слагаемое.

Триггеры тех разрядов, в которых второе слагаемое равно 1, меняют свое состояние на противоположное. В тех разрядах, в которых триггеры перешли из единичного состояния в нулевое, возникают сигналы переносов, последовательно передаваемые в старшие разряды сумматора. Арифметические операции сумматора выполняются с учетом знаков операндов.

Классификация АЛУ

По способу представления чисел:

  •  для чисел с фиксированной точкой;
  •  для чисел с плавающей точкой;
  •  для десятичных чисел.

По способу действия над операндами:

  •  параллельные.

В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

  •  последовательные; 

В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. Такие АЛУ, как правило, используют конвейерный метод обработки, при котором совмещаются во времени фазы выполнения операции для различных разрядов операндов.

По выполняемым функциям АЛУ подразделяются на:

  •  многофункциональные;

В многофункциональных АЛУ все возможные операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

  •  функциональные (блочные).

В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными и алфавитно-цифровыми полями, операции умножения выполняются в отдельных блоках. Такой подход позволяет увеличить скорость работы АЛУ за счет использования быстродействующих блоков, а также за счет организации параллельной работы этих блоков. Однако в этом случае значительно увеличиваются затраты на оборудование.

По структурной организации АЛУ подразделяются на устройства, имеющие:

  •  регистровую структуру с непосредственными связями и закрепленной логикой;
  •  магистральную структуру с сосредоточенной памятью и логикой.

В АЛУ с регистровой структурой за каждым из регистров закреплена своя логическая схема, используемая для выполнения микрооперации (см. рис. 7.3).

Пример:

С регистром Рг1 непосредственно связан преобразователь кода ПК1. С регистром Рг3 объединен комбинационный сумматор КСМ по схеме накапливания сумматора, а с КСМ, в свою очередь, связаны ПК2 и комбинационная схема КС для мультиплексирования входных данных. На регистре Рг3 выполняются микрооперации сдвига вправо или влево и сброс. Регистр Рг4 выполняет микрооперации сдвига и непосредственно связан с ПК3. Таким образом, в АЛУ с такой структурой функции хранения и преобразования информации выполняются одним и тем же операционным блоком.

 

Рис. 7.3. Регистровая структура с закрепленной логикой

В АЛУ с магистральной структурой регистры выделены в отдельный блок, а схемы для преобразования информации выделены также в отдельный операционный блок (ОБ), который связан с блоками регистров по входам и выходам (см. рис. 7.4). Блок регистров (БР) осуществляет функции приема, хранения и выдачи операндов и результатов, а ОБ выполняет весь набор микроопераций над словами, хранимыми в блоке регистров. В АЛУ с такой структурой блок регистров может быть реализован или как СОЗУ, или как совокупность отдельных регистров с индивидуальными схемами управления. Структура же ОБ имеет следующие модификации:

  •  последовательное соединение операционных узлов;
  •  параллельное соединение операционных узлов.

Пример АЛУ с магистральной структурой с последовательным соединением узлов ОБ.

В этом АЛУ преобразователь кода ПК, комбинационный сумматор КСМ и сдвигатель СДВ соединены последовательно, причем ПК и КСМ по входам связаны с выходными шинами блока регистров, а выход СДВ – с входной шиной блока регистров. Такая организация операционного блока дает возможность выполнять с высокой скоростью последовательности микроопераций, обеспечивающие выполнение одного слова.

Рис. 7.4. Магистральная структура с последовательным соединением операционных узлов

В случае же параллельного соединения операционных блоков АЛУ все операционные блоки: СМ, СДВ, КС, ПК параллельно соединяются с входными и выходными шинами блока регистров, что позволяет выполнять несколько микроопераций параллельно. Выглядит это так, как показано на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Магистральная структура с параллельным соединением операционных узлов

Функционирования АУ во времени

Функционирования АУ во времени связано в первую очередь с арифметическими командами. Цикл арифметической команды состоит из тактов: выборки команды ТВК; декодирование команды ТД; выборки операндов ТОП; выполнения арифметической операции ТАО; записи результата АО ТЗП.

В такте ТАО непосредственно отражаются временные процессы в АУ, составляющих последовательность микротактов:

• формирование набора управляющих сигналов у1,..., УК есть Y;

• вычисление значений двоичных выражений, которые инициируются сигналами у1,..., УК;

• фиксация новых состояний регистров;

• вычисления значений логических условий, которые обусловлены новым состоянием памяти АУ.

Продолжительность такта ТАО зависит от структурной организации АУ и быстродействия логических и запоминающих элементов и определяется как:

ТАО =КС + 1 + 2 + 3 , где

УС - время формирования управляющих сигналов; 1 - время вычисления значений двоичных выражений; 2 - время запоминания новых состояний регистров; 3 - время вычисления новых значений логических условий.

Последовательность микротактов выполняется на базе синхронного принципа. Это означает, что ход времени отмечается (начинается) с помощью синхронизирующих сигналов CLK, которые в ЭВМ формируются генератором тактовых сигналов. Период следования сигналов CLK совпадает с продолжительностью такта ТАО. На рис. 1 показаны составные части такта ТАО и его временное распределение.

Для АУ с общими МО такт ТАО распределяется на такие микротакты:

• выборка из ЗУ слов X и Y;

• формирование кода Н;

• добавление (это самая длительная МО);

• смещение;

• фиксация слова G в регистре-аккумуляторе R;

• запись слова R в регистре Ri ЗУ.

Рис.1 Такт роботи АУ

Продолжительность каждого микротакта определяется быстродействием соответствующего операционного узла.

Синхронизация АУ должна обеспечивать начало такта ТАО и синхронизации передач

R: = G, Ri: = R.

Для этого в пятом и шестом микротактах формируются синхросигналы CLK2, CLKЗ, которые позволяют выполнять эти передачи

В функциональных микропрограммах часто встречаются МО, в которых новое значение слова зависит также от значения этого же слова, например

уи) А: = А + В. (1)

Этой МО отвечает реализация рис. 3.

Через А, В - обозначены регистры. Особенностью регистра А то, что с него считывается операнд А и одновременно к нему записывается операнд-результат А. При этом возможны такие явления как гонки сигналов и проскоки состояний.

Явление гонок. При появлении управляющего сигнала уи в схеме (рис. 3) начинается передача сигналов с выходов регистров А и В через сумматор SM на вход регистра А, которому присваивается новое состояние в соответствии с МО (1). Но реальная картина несколько иная. Сигналы D (и), D (j) на выходе SM не появляются одновременно и достигают входов триггеров "и" и "j" регистра А в разное время. В результате один из названных триггеров первым изменит своё состояние и выходной сигнал. Новое значение слова А повлияет на значение других сигналов D (k), которые формируются сумматором SM. Это может привести к тому, что триггер регистра А, который не успел переключиться в соответствующее состояние, будет установлен в состояние отличное от нужного.

Проскок состояния. Проскок состояния заключается в том, что после возникновения МО (1). Управляющий сигнал уи еще действует и вычисленое новое значение слова А снова поступает на вход сумматора SM. Эта последовательность выполнения МО (1) заканчивается в момент сброса сигнала уи.

Явления гонок и проскоки состояний могут возникать одновременно. В результате нарушается порядок функционирования АУ, устойчивость его работы.

Эти явления исключаются, когда в регистрах используются двойные синхронные триггеры (регистры) (рис. 4) или как в случае АУ с общими МО в КЧ размещается регистр R для фиксации результата преобразования в КЧ.

 

Рис. 4 Использование двойных регистров

Двойным синхронным триггерам на рис. 4 соответствуют регистры RG' и RG. При CLK1 = 1 формируется управляющий сигнал уі, а при уі * в КС исчисляется двоичное выражение А. Слово А записывается в регистр RG ' когда CLK2 = 1. При этом в регистре RG сохраняется предыдущее значение, так как . Слово А фиксируется в регистре RG когда CLK2 = 0 (). Таким образом, процессы чтения и записи в регистр RG разнесены во времени и устойчивость работы АУ обеспечена полностью.

Структура АУ (см. рис. 2), в которой используется двухступенчатый регистр А, представленный на рис. 5.

Рис. 5 АУ с двухступенчатой памятью

Сравнение структур АУ

Для сравнения структур АП определим сначала основные характеристики АП.

Производительность. Это число МО, выполняемых в одном такте.

Быстродействие. Характеризуется продолжительностью такта работы АП, что определяется внутренней структурой комбинационных схем и скоростными характеристиками логических и запоминающих элементов.

Экономичность. Это суммарные аппаратные затраты, которые необходимы для реализации микроопераций и вычисления логических условий.

Регулярность. Регулярной называется структура, построенная из однотипных и одинаково соединенных элементов, узлов, частей. Чем больше регулярность структуры, тем экономичнее процесс ее производства, большая надежность и во многих случаях быстродействие.

Универсальность. Определяется в возможности одной той же структуры реализации различного класса функций, то есть области ее применения.

Последние две характеристики являются взаимосвязанные. Регулярные структуры обычно более универсальны чем нерегулярные и наоборот для универсальных структур характерным в значительной степени является регулярность.

Сделаем сравнение структур АП.

Экономичность. АП с общими МО являются более экономичными, если выполняется отношение

M>1,5 N, где

М - количество МО, N - число использованных слов (регистров).

Быстродействие (производительность). АУ с общими МО имеет большее быстродействие. Это обусловлено следующим:

• продолжительность такта АУ в АУ с закреплёнными МО большая чем у АУ с закреплением МО, через значительное количество каскадов в КЧ;

• число тактов необходимых для реализации арифметической операции в АУ с закреплёнными МО больше из-за структурных ограничений на совместимость МО, а также присутствия микрокоманд для вычисления значений ЛУ.

Универсальность, регулярность. Структура АУ с общими МО, если ее КЧ реализует универсальный набор МО, является универсальной и не зависит от алгоритмов АО. Относительно АУ с закреплением МО этого невозможно сказать, так как имеет место алгоритмическая зависимость структуры АП.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42200. Систематичні похибки вимірювань та методи їх зменшення 71.5 KB
  У процесі заняття провести вимірювання різних електричних величин різними способами і засобами визначити систематичні похибки ввести поправки до результатів вимірювань обчислити дійсні значення вимірюваних величин і впевнитись у правильності отриманих значень.1 Систематичні похибки вимірювань та методи їх зменшення Процес пізнання матеріального світу відбувається через експериментальне визначення вимірювання кількісних оцінок фізичних величин що характеризують досліджувані процеси явища. Таким чином результат...
42201. Вивчення будови, принципу дії та застосування електронного осцилографа для електричних вимірювань 461 KB
  Практичне виконання вимiрювань напруги струму часових iнтервалiв частоти кута зсуву фаз складової комплексного опору та iнших електричних величин з допомогою осцилографа. При пiдготовцi до роботи студенти повиннi самостiйно продумати i завчасно пiдготувати програму виконання роботи для заданого їм варiанта вибрати або скласти самостiйно необхiднi для цього схеми вимiрювань запропонувати свої рiшення в здiйсненнi вимiрювань дiючих значень синусоїдальних струмiв i напруг з допомогою осцилографа. Пропонується продумати методику...
42202. Вивчення методів та засобів вимірювання електричної ємності та індуктивності 245 KB
  Ознайомлення з різними методами вимірювання електричної ємності і індуктивності та приладами що використовуються для цього. Ознайомлення з будовою мостів змінного струму і універсальних мостів з будовою і застосуванням резонансних вимірювачів індуктивності L і ємності С. Отримання навичок практичного виконання вимірювань ємності і індуктивності.
42203. Електронні автоматичні мости і їх повірка 109 KB
  За результатами повірки зробити висновки про придатність до експлуатації автоматичного моста.3 Основні теоретичні відомості Електронні автоматичні мости Як правило термометри опору працюють в комплекті зі зрівноваженими електронними автоматичними мостами постійного або змінного струму або з логометрами. В автоматичних мостах використовується вимірювальна система чотириплечового моста з реохордом що забезпечує високу точність вимірювання. Термометр опору який є чутливим елементом моста включається в одне з його плечей.
42204. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ 751 KB
  Ознакомление с пакетом прикладных программ SIMULINK и основными приемами моделирования линейных динамических систем. К занятию допускаются студенты составившие схемы моделирования заданных динамических систем см.1 могут быть составлены схемы моделирования уравнений 1. Для составления схемы моделирования дифференциальных уравнений 1.
42205. КАНОНИЧЕСКИЕ ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ 181.26 KB
  Математическая модель одной и той же линейной динамической системы может быть представлена в различных формах: в форме скалярного дифференциального уравнения -го порядка (модель вход-выход) или в форме системы из дифференциальных уравнений 1-го порядка (модель вход-состояние-выход). Следовательно, между различными формами представления математических моделей существует определенная взаимосвязь, т.е. модель вход-состояние-выход может быть преобразована к модели вход-выход и наоборот.
42206. ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 215.45 KB
  Теоретические сведения. В ряде задач анализа и синтеза систем управления требуется построить дифференциальное уравнение по известному частному решению, заданному в виде функции времени. Такая задача возникает, например, при построении динамических моделей внешних воздействий (так называемых, командных генераторов) — сигналов задания и возмущений. Особо отметим, что, в известном смысле, данная задача является обратной по отношению к задаче нахождения решения дифференциального уравнения (см. лабораторную работу № 1)
42207. ТИПОВЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗВЕНЬЯ 512 KB
  Интегрирующее звено интегратор описывается дифференциальным уравнением: или где коэффициент усиления а его переходная функция . Интегрирующее звено с замедлением описывается дифференциальным уравнением: или где постоянная времени а его переходная функция . Изодромное звено описывается дифференциальным уравнением: или а его переходная функция . Реальное дифференцирующее звено описывается дифференциальным уравнением или а его переходная функция .
42208. СВОБОДНОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ 1.3 MB
  Свободная составляющая описывает движение системы при отсутствии воздействия на систему со стороны окружающей среды автономной системы и обусловлено ее состоянием в начальный момент времени. Вынужденная составляющая представляет собой реакцию системы на входное воздействие и не зависит от ее начального состояния.1 где входное воздействие выход системы параметры системы. Переменные состояния рассматриваемой системы могут быть определены как .