Алу: розшифровка, визначення та принцип роботи

Як усі ми знаємо зі шкільного курсу інформатики, в основі будь-якого CPU лежить чотири основні складові: арифметико-логічного пристрою або скорочено АЛУ, модуля введення-виведення, а також блоку управління і пам`яті.

Ця архітектура була розроблена найбільшим математиком всіх часів і народів Джоном фон Найманом і лягла в основу першого створеного центрального процесора. З тих пір CPU зазнав безліч доопрацювань і модернізацій, проте, базовий принцип його побудови залишився недоторканим.

визначення

АЛУ - це один з вузлів ЦП, який відповідає за реалізацію всіх логічних і арифметичних перетворень різних рівнів складності, які протікають в електронно-обчислювальної машині. Як виконуваних операцій використовуються операнди, довжина яких відповідає довжині слова або його розміром.

Головним призначенням цього вузла є обробка даних, які знаходяться в оперативно пристрої зберігання даних комп`ютера. Крім цього, АЛУ генерує керуючі сигнали, які є для електронно-обчислювальної машини свого роду інструкціями, що вказують що необхідно робити з певним набором даних. Кожна з операцій, що відбуваються в процесорі, виконується за допомогою електронних схем, які можуть складатися з декількох тисяч електронних елементів, встановлених дуже щільно один до одного.

Вступники на вхід АЛП електронні сигнали генерують певний тип обробки даних, виражених в двійковій системі числення. Всього існує чотири різновиди заданих типів дій, якими здатний працювати цей вузол центрального процесора. Таким чином, кількість базових операцій є основною характеристикою цього вузла процесора.

У свою чергу, для виконання певної операції з даними, в АЛУ реалізовано чотири елементи, на кожен з яких покладено виконання певних завдань: управління, передача, зберігання і перетворення даних, що надходять на вхід вузла з оперативної пам`яті.

Відео: Лекція 323. Atmega 8: Принцип роботи АЛУ

вузли зберігання

До цієї складової відносяться такі електронні елементи:
- тригери, що відповідають за зберігання допоміжних даних і кінцевих результатів, необхідних для виконання різних процесів;
- регістри, основним призначенням яких є збереження цілісної структури аргументів операцій проміжних і кінцевих результатів.
У деяких випадках сукупність регістрів може виступати в якості блоку пам`яті, а тригери - як загального регістра стану.

вузли передачі

Складовою цього вузла центрального процесора є:
- шини, що відповідають за об`єднання блоків АЛУ і їх обопільне взаємодія;
- мультиплексори і вентилі, завдяки яким задається потрібний напрямок виконуваних перетворень.

вузли перетворення

Елементами цього вузла виступають:

Відео: Пристрій процесора

- суматори, що відповідають за виконання мікрооперацій;

- сдвігатель;
- схеми виконання логічних операцій;
- коректори для десяткової арифметики;
- перетворювачі коду, які беруть участь в операціях із зворотними і додатковими даними, які можуть знадобитися в процесі перетворення;
- лічильники, які здійснюють підрахунок завершених циклів перетворення даних.

вузли керування

Відео: Архітектура ПК: Магістрально-модульний принцип побудови ПК. Центр онлайн-навчання «Фоксфорд»

Основними елементами вузла управління є:

- контрольний блок;
- дешифратор сигналів;
- схеми перетворення логічних ознак, які формують гілки виконання заданих команд.

Принцип роботи

В процесі роботи CPU, в розглянутому нами вузлі створюються електронні сигнали, що подаються на інші вузли ЦП строго в певній послідовності, які необхідні для виконання поставленого завдання. Цей процес здійснюється поетапно і складається з декількох тактів.
Керуючий пристрій відповідає за виконання програм в автоматичному режимі, однак, в процесі його роботи можуть застосовуватися переривання, необхідні для залучення в роботу інших вузлів процесора. Робота пристрою управління можливо завдяки основному принципу микропрограммирования, який володіє певним набором характеристик.

Різновиди арифметико-логічного пристрою

Залежно від принципу роботи і методу обробки масивів даних АЛУ можна розділити на дві категорії: послідовні і паралельні. Ці категорії розрізняються методами представлення елементів операцій і їх реалізації.

Крім цього, існує ще класифікація АЛУ за характером використання, в якій цей вузол підрозділяється на блокові і багатофункціональні. Для першого типу характерно розподіл даних по однотипним блокам і подальше їх виконання. В процесі роботи другого типу для обробки даних задіюються всі наявні мікросхеми, які, в свою чергу, можуть пристосовуватися під різні типи даних. За обробку різних видів даних відповідають певні мікросхеми.

При цьому висока швидкість роботи АЛУ досягається завдяки тому, що всі завдання виконуються в паралельному режимі, що забезпечує їх багатозадачність, однак, такий принцип роботи супроводжується і великим енергоспоживанням. За способом представлення даних, АЛУ можуть використовуватися для роботи з десятковими числами, а також числами, використовують плаваючу або фіксовану кому.

Арифметичні операції і логічні процедури

Відео: Що таке мікроконтролер

Всі процеси, що відбуваються в вузлі арифметико-логічних перетворень, можна поділити на кілька категорій. Арифметичні операції являють собою основні математичні операції такі як ділення, множення, віднімання модулів, звичайне віднімання і додавання.
Для категорії логічних перетворень характерні операції кон`юнкції, які можна порівняти з союзом "і", Диз`юнкції - порівнянної з логічної операцій, сенс якої наближений до союзу "або", А також операції порівняння різних даних на предмет рівності. Найчастіше в логічних перетвореннях використовуються двійкові слова, до складу яких входять множинні розряди.

Будь-яку операцію, яка відбувається в АЛУ, можна представити у вигляді суворої послідовності логічних функцій, виражених за допомогою многоразрядной електронно-обчислювальної логіки. Наприклад, для довічних електронно-обчислювальних систем застосовується і аналогічний тип логіки і так до десяткової системи.

У будь-якому перетворенні даних, що відбувається в арифметико-логічному пристрої, присутні свої аргументи операції, а кінцеві результати обробки даних виражаються у вигляді шістнадцяткових бітових рядків. Оброблені під час перетворення дані, виражаються в цифровому вигляді зі знаком плюс або мінус, залежно від наявності переповнення, за допомогою спеціальних прапорів, які використовуються при непередбачуваних змінах знаку, який виражається у вигляді окремого біта. Логіка перенесення біта між системами різних розрядів відбувається за принципом беззнакову арифметики. Таким чином, система привласнює знак плюс в тому випадку, якщо оброблювані дані в старшому розряді не можуть бути виражені кінцевим результатом в молодшому розряді.