Aritmetická logická jednotka (ALU) - čo to je?

Ako viete, počítačový procesor sa skladá zo štyroch základných komponentov: aritmetickej logickej jednotky, I / O modulu a pamäťových a riadiacich jednotiek. Táto architektúra bola definovaná v minulom storočí a napriek tomu, že prešlo veľa času, zostáva klasická štruktúra von Neumann relevantná.

Čo je ALU?

Aritmetické logické zariadenie je jednou zo zložiek procesora, ktorá je potrebná na vykonávanie logických a aritmetických typov transformácií, začínajúcich elementárne a končiacich komplexnými výrazmi. Veľkosť bitov použitých operandov sa zvyčajne považuje za dĺžku slova alebo veľkosť.

Hlavnou úlohou ALU je spracovávať údaje uložené v RAM počítača. Okrem toho je aritmetické logické zariadenie schopné vytvárať riadiace signály, ktoré smerujú počítač k výberu správnej cesty na vykonanie potrebného výpočtového procesu v závislosti od konečných dátových typov. Všetky operácie zahŕňajú elektronické obvody, z ktorých každá je štrukturálne rozdelená na tisíce prvkov. Takéto dosky sú zvyčajne vysokorýchlostné a vyznačujú sa vysokou hustotou.

V závislosti od vstupných signálov vykonáva ALU rôzne typy operácií s dvoma číslami. Každé aritmetické logické zariadenie počítača umožňuje realizáciu štyroch základných akcií, posunov a logických transformácií. Súbor operácií ALU je jeho hlavnou charakteristikou.

Komponenty aritmetickej logickej jednotky sú štyri hlavné skupiny uzlov, ktoré zodpovedajú procesom riadenia, prenosu, ukladania a transformácie prichádzajúcich dát.

Ukladacie jednotky ALU

Táto kategória zahŕňa:

• Spúšťače, ktoré ukladajú pomocné bity a rôzne znaky výsledkov;
• Registre zodpovedné za integritu operandov, priebežné a konečné výsledky.

Niekedy môžu byť registre aritmetického logického zariadenia kombinované do špecializovaného pamäťového bloku a spúšťače môžu tvoriť jeden štátny register.

Prenosové uzly ALU

Táto kategória zahŕňa:

• Autobusy spájajúce bloky zariadenia medzi sebou;
• Multiplexery a ventily zodpovedné za výber správneho smeru činnosti.

Konverzné uzly ALU

Patria medzi ne:

• Letá, ktoré vykonávajú mikro-operácie;
• Schémy logickej realizácie;
• shifters;
• Korektory pre desiatkovú aritmetiku;
• Kódové konvertory používané na získanie inverzných alebo dodatočných údajov;
• Počítadlá pre počítanie počtu dokončených cyklov a pre implementáciu pomocných transformácií.

Riadiace uzly ALU

Táto kategória objektov zahŕňa:

• Riadiaca jednotka;
• Dekodér signálu;
• Logické konverzné schémy potrebné na vytvorenie pobočiek pre vykonávanie firmvéru.

Činnosť riadiacej jednotky procesora

Tento blok je zodpovedný za generovanie sekvencie funkčných signálov potrebných na správne vykonanie zadaného príkazu. Spravidla sa takéto transformácie realizujú pre niekoľko cyklov.

Riadiace zariadenie poskytuje automatické spustenie programu. Zároveň sú zahrnuté potrebné koordinované pobočky iných komponentov stroja.

Základný princíp mikroprogramovania, ktorý má jasný počet charakteristík, je zodpovedný za prevádzku ovládacieho zariadenia.

Klasifikácia ALU

Aritmetické logické zariadenia prevádzkovaných premenných sú rozdelené na paralelné a sekvenčné. Hlavný rozdiel medzi týmito ALU spočíva v spôsobe, akým sú reprezentované operandy a operácie.

Z dôvodu použitia aritmetickej logiky sú zariadenia rozdelené na multifunkčné a blokové. V ALU prvého typu sa rovnaké schémy používajú na vykonávanie operácií s rôznymi formami zastupovania čísel, ktoré sa prispôsobujú požadovanému spôsobu práce s údajmi. V blokových zariadeniach sa všetky operácie vykonávajú prostredníctvom distribúcie dátovými typmi. Pre operácie s desatinnými číslami, číselnými a abecednými poľami, číslicami s pohyblivým alebo pevným bodom sa používajú rôzne schémy. V tomto prípade aritmetické logické zariadenie funguje oveľa rýchlejšie vďaka paralelnému výkonu daných úloh. Ale majú tiež nevýhodu - zvýšené náklady na podporu vybavenia.

Aritmetické logické zariadenie sa môže použiť pre:

• Desatinné čísla;
• Čísla s pohyblivou čiarou;
• Čísla s pevným bodom.

Operácie zariadenia

Štruktúra ALU predpokladá vykonanie akcií pomocou logických funkcií, ktoré sú rozdelené do týchto skupín:

• Desatinná aritmetika;
• Binárna aritmetika pre čísla s jasne vyznačeným bodom;
• Hexadecimálna aritmetika pre výrazy s plávajúcim oddeľovačom;
• Úprava príkazových adries;
• Logické operácie typu;
• Transformácia alfanumerických polí;
• Špeciálna aritmetika.

Moderné elektronické počítače dokážu implementovať všetky vyššie uvedené typy aktivít a mikropočítače nemajú takú základnú funkčnosť, takže najkomplexnejšie postupy sa vykonávajú prostredníctvom pripojenia malých podprogramov.

Aritmetické operácie a logické postupy

Všetky činnosti ALU môžu byť podmienene rozdelené do niekoľkých skupín.

Aritmetické operácie zahŕňajú delenie, násobenie, odčítanie modulov, bežné odčítanie a pridanie.

Logické "a" a "alebo", to je spojenie a disjunkcia, rovnako ako porovnanie údajov pre rovnosť, sú klasifikované ako logické transformácie. Takéto postupy sa spravidla vykonávajú na binárnych slovách pozostávajúcich z viacerých číslic.

Špeciálne aritmetické operácie zahŕňajú normalizáciu, logické a aritmetické posuny. Medzi týmito transformáciami je významný rozdiel. Ak sa aritmetický posun na mieste mení len digitálnymi číslicami, potom pri logickom znamení je číslica pripojená k pohybu.

Každá operácia, ku ktorej dochádza pomocou aritmetického logického zariadenia, môže byť nazývaná sekvenciou funkcií logického typu, ktoré sú popísané multibitovou logikou pre elektronické počítače. Napríklad binárne počítače používajú binárnu logiku a tak ďalej až po desatinný systém.

Absolútne všetky aritmeticko-logické transformácie majú svoje vlastné operandy a výstupné výsledky sa považujú za bitové reťazce so šestnástimi číslicami. Jedinými výnimkami sú primitívne znaky divízie znamení DIVS. Rôzne príznaky umožňujú spracovávať údaje na výstupe ako čísla s znamienkom mínus alebo plus pre pretekanie. Logika bitovej konverzie je postavená na modulo aritmetickej. V prípade, že dôjde k nepredvídateľným zmenám so znamienkom, umiestnite príznak. Napríklad pridaním dvoch pozitívnych čísel, výsledok by ste mali dostať znakom "+". Ak sa však vyskytne prenos v bitovom znamení, ktorý nastavuje jednotku a výsledok je negatívny, potom je nastavený príznak pretečenia.

Logika prenosových bitov je založená na nepodpísanej aritmetike. Tento príznak je nastavený systémom, ak generovaný prenos z vyššieho bitu nemožno zapísať ako výsledok. Tento bit ALU je veľmi efektívny pri použití transformácií s viacerými slovnými reprezentáciami.

záver

Aritmetické logické zariadenie sa používa na vykonávanie logických a aritmetických transformácií oproti potrebným operandom, v ktorých sa často objavujú príkazy rolí alebo číselné kódy. Po dokončení činnosti sa výsledok vráti do pamäte na použitie v nasledujúcich výpočtoch.