Терминология в области ЭВМ, ВС и комплексов

Назначение, состав и структура АЛУ

Все основные операции по преобразованию данных в ЭВМ производятся в операционных блоках, АЛУ. Набор операций, выполняемых АЛУ универсальных ЭВМ, должен быть функционально полным, т.е., обеспечивать реализацию любого вычислительного алгоритма. И хотя функциональную полноту можно обеспечить очень узким набором операций, число различных операций, выполняемых в АЛУ, обычно составляет от нескольких десятков до нескольких сотен. Это обеспечивает сокращение длины программ и повышение быстродействия ЭВМ в целом.

Как правило, в любом АЛУ предусмотрена возможность выполнения четырех основных арифметических операций, нескольких логических операций, а также сдвигов. Набор операций АЛУ является одной из основных его характеристик.

Выполняемые в АЛУ операции можно условно разделить на следующие группы:

• операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной точкой;

• операции двоичной арифметики для чисел с плавающей точкой;

• операции десятичной арифметики;

• операции индексной арифметики;

• операции специальной арифметики;

• операции над логическими кодами;

• операции над алфавитно-кодовыми полями.

АЛУ является законченным в функциональном отношении устройством, и в его составе можно выделить четыре группы узлов, соответствующих основным системным процессам: хранения, передачи, преобразования, управления.

К узлам хранения в АЛУ относятся:

• регистры, обеспечивающие хранение операндов, промежуточных и окончательных результатов;
• триггеры, позволяющие хранить различные признаки результатов или какие-либо вспомогательные биты.

В некоторых случаях регистры АЛУ образуют блок регистровой памяти, а триггеры (называемые также флагами) объединяются в регистр состояния.

К узлам передачи, имеющимся в АЛУ, относятся:

• шины, соединяющие отдельные блоки АЛУ;
• блоки вентилей (схем И) и мультиплексоры, обеспечивающие выполнение передачи по выбранному направлению и в нужный момент времени.

К группе узлов преобразования могут относиться:

• сумматоры, выполняющие в ряде случаев несколько различных микроопераций;
• схемы выполнения логических операций, иногда совмещаемые с сумматорами;
• схемы коррекции, например, для операций десятичной арифметики;
• схемы сдвига (сдвигатели);
• преобразователи кодов, служащие для получения обратных или дополнительных кодов;
• счетчики, используемые для вспомогательных преобразований и для подсчета числа циклов в циклических операциях.

К узлам управления можно отнести:

• дешифраторы управляющих сигналов (кодов);
• схемы формирования логических условий (признаков), используемых для организации ветвлений в микропрограммах выполнения операций.
• блок управления АЛУ (если таковой имеется отдельно);

Конечно, следует учитывать, что любое разделение, классификация имеют элемент условности и можно найти достаточно примеров, когда один узел можно отнести к различным группам, В частности, в рассматриваемом случае мультиплексоры и блоки вентилей можно отнести как к узлам передачи, так и к узлам управления, так как они разрешают или запрещают передачу.

Арифметическо-логическое устройство включает узлы перечисленных групп, соединенные тем или иным способом в некоторую структуру. Структурные схемы АЛУ могут быть различными, что определяется различием принципов их построения.

Типовая структурная схема АЛУ показана на рисунке.

Где P1, Р2, РЗ, Р4 регистры, МП1, МП2 - мультиплексоры, См - комбинационный сумматор, Сдв - сдвигатель, СхФормПр - схема формирования признаков (флагов), РП - регистр признаков. В этой схеме основным узлом преобразования информации является сумматор, выполняющий операции суммирования и логические операции. В некоторых АЛУ логические операции выполняются в специальных узлах. Кроме того, преобразования осуществляются и в сдвигателе. Регистры Р1...РЗ служат для хранения операндов и промежуточных результатов, регистр Р4 - выходной, используется для промежуточного хранения результатов, снимаемых с выхода сумматора. Мультиплексоры МП1 и МП2 обеспечивают коммутацию на входы сумматора содержимого регистров Р1, ... РЗ, а в некоторых случаях - и инвертирование, т. е. получение обратных кодов их содержимого (если в сумматоре не выполняется операция вычитания непосредственно). СхФормПр обеспечивает формирование значений логических условий, отражающих получение на выходе сумматора нулевого числа, отрицательного числа, переполнения результата, переноса из старшего разряда, четности результата и др., а регистр признаков РП сохраняет значения этих условий.

Рассмотренная структурная схема имеет обобщенный характер. На ней не показаны узлы управления, вспомогательные узлы. Помимо набора операций и структурной организации, АЛУ характеризуются еще рядом показателей. К ним относятся разрядность обрабатываемых чисел (кодов), времена выполнения различных операций или, иногда, усредненное быстродействие, наличие дополнительных функциональных возможностей, типа контроля правильности выполнения операций, устойчивости к отказам, а также конструктивные характеристики, такие как габариты, энергопотребление, надежность и пр.

Классификация АЛУ

В процессорах современных ЭВМ используются различные по своей организации АЛУ. Эти различия обусловлены функциональным назначением АЛУ, способами реализации операций, требованиями по быстродействию и др. Основные характерные особенности того или иного АЛУ можно отнести к одной из трех групп: особенности обрабатываемой информации, организации выполнения операций и структурной организации. Рассмотрим эти группы несколько подробнее.

Обрабатываемая в АЛУ информация представляет собой либо численные, либо логические величины. Как известно, численные величины в ЭВМ представляются по- разному. Это проявляется, в основном, в используемых формах представления данных, системах счисления, разрядности, применяемых кодах. По этим признакам АЛУ можно разделить следующим образом.

По форме представления чисел: АЛУ с фиксированной запятой; АЛУ с плавающей запятой; АЛУ с фиксированной и плавающей запятыми (универсальные). Так, числа с фиксированной запятой могут быть представлены в виде целых или в виде дробных чисел, меньших единицы. Это сказывается на особенностях выполнения операций умножения и деления. Числа с плавающей запятой могут иметь мантиссу и порядок (целое со знаком) или мантиссу и характеристику (смещенный порядок), что влияет на процедуры обработки порядков.

По используемой системе счисления: АЛУ, работающие в позиционной системе счисления; АЛУ, работающие в непозиционной системе счисления. Известно несколько позиционных систем счисления, используемых в ЭВМ. В первую очередь это двоичная и двоично-десятичная системы счисления. Кроме этих систем, широко распространены восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления, дающие, по сравнению с двоичной, большую наглядность в изображении чисел. Известны также случаи использования троичной системы счисления. Из непозиционных систем счисления в арифметике используется система остаточных классов (СОК), числа в которой представляются в виде остатков от деления исходного числа на набор взаимно простых чисел, называемых основаниями системы. Такое представление обеспечивает возможность независимой обработки разрядов (остатков) чисел, что, в частности, представляет интерес для цифровой оптической обработки информации.

СОК (другое название Модулярная арифметика) - непозиционная система счисления. СОК определяется набором взаимно простых модулей  , называемых базисом, с произведением   так, что каждому целому числу   из отрезка   ставится в соответствие набор вычетов  , где

…

При этом китайская теорема об остатках гарантирует однозначность представления для чисел из отрезка  .

Рассмотрим СОК с базисом  . В этом базисе можно взаимно однозначно представить числа из промежутка от   до  , так как  . Таблица соответствия чисел из позиционной системы счисления и системы остаточных классов:

По разрядности обрабатываемых чисел: АЛУ, выполняющие операции над числами (кодами) фиксированной разрядности; АЛУ, обрабатывающие операнды переменной длины.В обоих случаях само АЛУ имеет фиксированную разрядность блоков, но во второй группе предусмотрены специальные средства, обеспечивающие обработку операндов по частям, и соответствующие микропрограммы выполнения операций. Имеются также АЛУ, в которых операции выполняются над несколькими различными видами операндов фиксированной разрядности, обычно это форматы полуслова, слова и слова двойной длины.

По кодам, используемым для представления отрицательных чисел: АЛУ с использованием обратных кодов; АЛУ с использованием дополнительных кодов. Принципиальных особенностей структур АЛУ это различие не обусловливает. Известны и устройства, в которых одни операции выполняются с использованием обратных кодов, а другие - дополнительных.

Особенности структурной организации АЛУ определяются составом операционных блоков устройства и характером связей между ними. В этой группе признаков АЛУ можно подразделить следующим образом.

По количеству операционных блоков: одноблочные АЛУ (иначе, универсальные) и многоблочные АЛУ.В первых из них имеется операционный блок, в котором может выполняться любая из операций АЛУ. Такая организация характерна для ЭВМ невысокой производительности. Многоблочные АЛУ имеют в своем составе несколько операционных блоков, каждый из которых ориентирован на выполнение какой - либо одной операции, например умножения, или нескольких операций, например сложения и логики. Причем предусматривается одновременная работа различных блоков, что, совместно со специализацией блоков, обеспечивает более высокую производительность ЭВМ с такими АЛУ.

По характеру связей: устройства с магистральными и с непосредственными связями. Для первых из них характерно наличие внутренней шины данных, по которой осуществляются все передачи информации между любыми узлами АЛУ. В случае непосредственных связей в структуре предусматривается набор индивидуальных шин, связывающих пары узлов, между которыми должны выполняться передачи.

Особенности организации выполнения операций проявляются в принципах получения результатов и порядке обработки данных. По этим признакам возможны следующие подразделения.

По принципу получения результата: АЛУ с алгоритмической реализацией операций; табличные АЛУ; таблично-алгоритмические АЛУ. АЛУ с алгоритмической реализацией операций - наиболее распространенный тип. В них каждая операция (кроме самых простых) представляется в виде последовательности более простых преобразований - микроопераций. Последовательность этих преобразований определяется алгоритмом выполнения операций. Реализуется такая последовательность либо за несколько тактов под управлением соответствующей микропрограммы, обеспечивающей необходимую настройку узлов АЛУ в каждом такте, либо за один такт, при наличии для всех микроопераций отдельных узлов, соединенных в требуемой последовательности. В табличных АЛУ результат операции не вычисляется каждый раз при ее выполнении. В качестве основного функционального узла обработки информации выступает запоминающее устройство (ЗУ), куда заносятся таблицы логических, арифметических, элементарных и других функций. Главный плюс такого типа АЛУ является резкое снижение в процентном отношении вычислительных и логических операций, осуществляемых в МПС, путем их замены операциями пересылки операндов, обращение к таблицам и выдача конечного результата. Он выбирается из таблицы - постоянной памяти, в которой заранее записаны назначения результатов, соответствующие всем возможным значениям операндов. Такой способ наиболее эффективен для вычисления сложных функций одного аргумента при небольшой его разрядности, например, тригонометрических функций. Применим он и для реализации обычных арифметических операций. Табличный способ обеспечивает высокую скорость обработки, так как независимо от сложности реализуемых преобразований все действия сводятся к считыванию готового результата из ПЗУ. Однако недостатком его является необходимость очень большого объема памяти (таблицы) при увеличении разрядности операндов. Таблично-алгоритмические АЛУ представляют собой компромисс между первыми двумя способами. В них результат получается сочетанием этих способов. Часть разрядов операндов (обычно старшие разряды) используются для получения приближенного значения результата табличным способом. По остальным разрядам вычисляется поправка к предварительному результату. Этот метод позволяет сократить объем таблиц при сохранении относительно высокой скорости и находит применение в мощных ЭВМ.