ОБЩИЕ АРХИТЕКТУРНЫЕ СВОЙСТВА И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - одна из основных функциональных частей процессора, осуществляющая непосредственное преобразование информации. Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:
- операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;
- операции двоичной (шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей точкой;
- операции десятичной арифметики над числами, представленными в двоично-десятичном коде;
- операции адресной арифметики (при модификации адресов команд);
- операции специальной арифметики (нормализация, сдвиг);
- логические операции;
- операции над алфавитно-цифровыми полями.
Исходные данные
|
Рис. Обобщенная структурная схема АЛУ. Для выполнения перечисленных операций в АЛУ включают следующие функциональные узлы:
- сумматор (для выполнения суммирования и других действий над кодами операндов);
- регистры (для хранения кодов операндов на время выполнения действия над ними);
- сдвигатели (для сдвига кода на один или несколько разрядов вправо или влево);
- преобразователи (для преобразования прямого кода числа в обратный или дополнительный);
- комбинационные схемы (для реализации логических операций, мультиплексирования данных, управляемой передачи информации, формирования признаков результата). Обобщенная структурная схема АЛУ (рис.) включает:
- блок регистров (БР) для приема и размещения операндов и результатов;
- операционный блок (ОБ), 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) хтз 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.
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. 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. 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. Методы повышения быстродействия АЛУ:
Принцип локального параллелизма. Суть этого принципа - в распараллеливании во времени алгоритма выполняемой отдельно команды на ряд независимых этапов и их реализации на различных операционных блоках АЛУ.
Конвейерная обработка. Операщюнный блок разделяется на несколько частей - уровней конвейера. На каждой ступени выполняется определенная стадия операции (например, считывание операндов, сравнение порядков чисел, сложение мантисс чисел и так далее). Совмещение стадий выполнения нескольких операций на различных ступенях конвейера приводит к тому, что реализация следующей операции начинается до окончания предыдущей. Это значительно увеличивает быстродействие операционного блока.
Другой способ сокращения длительности выполнения многотактных операций использование эффективных алгоритмов. При использовании таких алгоритмов сочетается использование быстродействующих блоков, одновременно анализа нескольких разрядов операндов и реализация конвейерного метода обработки.
Наиболее новый способ увеличения быстродействия всех блоков процессора ЭВМ - введение векторных операций - операций над упорядоченными массивами данных (в суперЭВМ векторные операции появились давно, в связи с чем в составе процессоров появилась специализация устройств по типам операндов - скалярные и векторные). Например, в современных процессорах появились регистровая память и средства обработки двух типов: векторные и скалярные.
К векторным средствам обработки относятся:
- один или несколько арифметических конвейеров для обработки элементов векторов;
- векторные регистры для хранения векторной информации.
Векторные средства обработки данных позволяют увеличить производительность ЭВМ в несколько раз.