Арифметико-логическое устройство (алу)

Арифметик-мантиқий қурилма.
Арифметико-логическое устройство
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - центральная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции.
АМҚ арифметик ва мантиқий амалларни бажарувчи қурилма бўлиб, МПнинг асосий қисми ҳисобланади. АМҚ маълумотларни қайта ишлашнинг муҳим босқичини амалга оширади. АМҚда бажариладиан амаллар 3 турли бўлади: арифметик, мантиқий ва битлар устидаги амаллар.
Арифетик амал деганда аргументлари ва ҳисоблаш натижалари рақамлар бўлган ҳисоблаш жараёни тушинилади (қўшиш, айириш, кўпайтириш, бўлиш). Мантиқий амал деганда мураккаб сўзларни хосил қилиш жараёни тушунилади (ва, ёки, эмас ва х.к)
Битлар устидаги амаллар деганда кўчириш амали тушунилади.

Ж.фон Нейман биринчи бўлиб АМҚнинг ишлаб чиққан. Нейманнинг таъкидлашича АМҚ компьютер учун хаётий заруратдир, чунки фақат угина қўшиш, айириш, кўпайтириш, бўлиш каби математик амалларни бажаради.

АМҚ структураси

АМҚ лар регистрлар ва сумматорлардан иборат бўлади. Қурилма ўзига узатиладиган операциялар кодлари билан мос ишлайди ва 2 та фуркционал қисмдан ташкил топади:

1.Микропрограммали қурилма (бошқариш қурилмаси) – командаларни узатувчи қисм
2.Операцион қурилма (АМҚ) – берилган командалар кетма-кетилиги бажариладиган қисм.

АМҚнинг структура схемаси

1.Бу схемадан кўриниб турибдики, АМҚ таркибига кирадиган Рг1 - Рг7 регистрларида N1, N2, ...NS хотирадан узатиладиган маълумотлар қайта ишланади. Мантиқий схемалар эса бошқариш қурилмасидан келувчи микрокомандаларни бажаради.
A1,A2, ..., Аn-1,An микрокомандларининг кетма-кет ёзилишидан ҳосил қилинган микропрограмма маълумотларни қандай тартибда қайта ишланишини белгилайди. Микрокомандалар ташқи (схемадаги A1,A2, ..., Аn-1,An ) ва ички (р1, p2,..., рm) бўлади. Ички микрокоманда бошқариш қурилмасидан кетма-кет келаётган командаларнинг кетма-кетлигини бузиш ва улардан олдин бажарилиб кетиши ҳам мумкин.
АМҚнинг ҳисоблаш натижалари у1, у2, ...,уs шиналари орқали ОЗУга ёзилади. АМҚга кирувчи регистрларнинг функциялари қуйидагилар:
Рг1 – сумматор (лар), асосий регистр, бу ерда ҳисоблаш натижалари шаклланади
Рг2, Рг3 – қўшилувчи, кўпайтма, бўлинувчи, бўлувчилар регистри (бажариладиган амал турига қараб)
Рг4 – адрес регистри, операндлар адреслари ва натижа адресини сақлашга мўлжалланган
Рг6 – адреслар ҳосил қилиш регистри
Рг7 – ёрдамчи регистрлар,жараённинг боришига қараб аккумулятор, индекс регистри ёки оралиқ натижаларин сақловчи сифатида ишлатилади.
Баъзи регистрлар дастур орқали бошқарилиши ва ҳисоблаш жараёнида командалар улардаги маълумотлар билан бевосита ишлаши мумкин. Сумматор, индекс регистри, ёрдамчи регистрлар
Бошқа регистрларни дастурий бошқариш имконияти йўқ, чунки уларни дастурий адреслаш имконияти мавжуд эмас.
2.Операцион қурилмаларни қайта ишланувчи маълумот шакли, қайта ишлаш тури ва мантиқий шаклига кўра таснифлаш мумкин.
АМҚлар 4 турдаги маълумот обьектлари билан ишлаши мумкин: мантиқий (1 бит), рақамли (4 бит), байтли (8 бит)ва адресли (16 бит) АМҚда маълумотларни узатиш ёки ўзгартиришнинг 51 хил операциялари бажарилади. Адреслашнинг 11 хил усули мавжудлигини инобатга олсак (7 та маълумотлар учун ва 4 та адреслар учун) “КОМАНДА/АДРЕСЛАШ РЕЖИМИ” комбинациясини турли шаклда қўллаб, 255 хил командаларни ҳосил қилиш мумкин.

АМҚнинг таснифланиши

1.Операндлар билан бажариладиган амаллар услубига кўра. Параллел ва кетма-кет бўлади. Кетма-кет АМҚларда операндлар кетма-кет кодларда берилади, амаллар эса уларнинг алохида разрядлари билан кетма-кет бажарилади. Параллел АМҚларда операндлар параллел берилади ва амаллар бир вақтда барча разрядлар билан бажарилади.
2.Сонларни ифодалаш усулига кўра. 1) қўзғалмас вергулли сонлар билан ишловчи 2) қўзғалувчи вергулли сонлар билан ишловчи 3) 10лик сонлар билан ишловчи
3. Элементлар ва узелларни ишлатиш характерига кўра блокли ва кўп функцияли АМҚлар. Блокли АМҚларда ҳисоблашлар алоҳида блокларда ва параллел бажарилади. Афзаллиги хисоблаш тез бажарилади, камчилиги қурилма ҳаражатлари ошиб кетади. Кўп функцияли АМҚларда талаб қилинадиган иш режимига мос равишда ўзгариб турувчи схемаларда бажарилади.
4.Ўз функциясига кўра АМҚ ҳисоблашларни бажарувчи, бошқа қурилмалардан (мас хотирадан) маълумот олувчи,уларни ўзгартирувчи ва ҳисоблаш натижасини бошқа қурилмага узатувчи операцион блок ҳисобланади.

АМҚдаги амаллар

АМҚда бажариладиган амалларни қуйидаги гурухларга бўлиш мумкин:
-иккилик сонлар устида амаллар
-ўн олтилик сонлар устида амаллар
-ўнлик арифметика
-индекс арифметикаси
-мантиқий амаллар
Замонавий ҳисоблаш машиналари юқорида кўрсатилган барча амалларни бажаради. Бошқа ҳисоблаш машиналари, масалан кичикЭХМ, микроЭХМ, махсус машиналар баъзилари қўзғалувчи вергулли сонлар билан ишламаса, баъзилари ўнли арифметика билан ишламайди, баъзилари эса алфавит-рақамли майдонлар билан ишлай олмайди. Бу операциялар махсус подпрограммалар ёрдамида бажарилади. Буларга мисол қилиб турли радарлар, кузатув камералари ва уларни бошқарувчи қурилмаларни кўрсатиш мумкин.

Арифметик-мантиқий қурилма (АМҚ)

АМҚ – иккилик сонлар устида арифметик ва мантиқий амалларни бажаришга мўлжалланган қурилмадир. АМҚ микропроцессор таркибида бўлади. (ALU-Arithmetic Logic Unit)

Операндлар билан ишлаш принципига кўра АМҚ 2 турга бўлинади

1. Параллел АМҚ. Бунда операндлар параллел код шаклида ифодаланади ва амаллар бир вақтда операндларнинг барча разрядлари билан бажарилади.
2. Кетма-кет АМҚ. Операндлар устида амаллар кетма-кет равишда, уларнинг разрядлари билан алохида бажарилади.

Слайд 1. АМҚнинг умумий тасвирланиши

Ишлаш принципи (тамойили)

Слайд 2. АМҚнинг ишлаш принципи

Бу расмда 16 та арифметик ва 16 та мантиқий амалларни бажарувчи АМҚ келтирилган. Бунда А₀...А₃ ва В₀...В₃ лар операнд сифатида танланган ва улар устида арифметик ва мантиқий амаллар бажариладиган тўрт разрядли А ва В сонларининг киришларидир.

Бажариладиган амал S₀…S₃ киришларидаги сигналлар комбинацияси билан аниқланади. М=1 бўлганда микросхема мантиқий амалларни бажаради, М=0 бўлганда арифметик амалларни бажаради.
Микросхема ҳам мусбат ҳам манфий мантиқда ишлай олади. Мусбат мантиқда А, В ва С киришларига ҳақиқий қийматлари киради, F₀…F₃, P, G чиқишларида ҳақиқий қийматлар олинади. Манфий мантиқда А, В ва С киришларига сигналнинг инверс қиймати киритилади, F₀…F₃, P, G чиқишларида инверс қийматлари олинади. Разрядлилиги 4 дан катта бўлган сонлар билан амаллар бажаришда C_n кириши ишлатилади.
АМҚ схемасини сонларни тескари коддан тўғри кодга ўтказиш ва аксинча ишлатиш мумкин. Бундан АМҚнинг функционал жиҳатдан мослашувчан эканлигини кўриш мумкин.

слайд. АМҚларни кетма-кет улаш

АМҚларни параллел улаш

F₀…F₃ чиқишларида чиқиш сўзи (8 бит ахборот?) шаклланади, C_n чиқиши эса кейинги АМҚга уланиш учун қўлланилади, G ва H чиқишлари тезкор сумматорларда кўчиришни таъминловчи генерация ва кўчиришни узатиш функцияларини беради. К чиқиши эса тенгликни аниқловчи компаратор чиқишини билдиради.

Слайд. Компаратор

Компаратор (лотинча comparare – “тенглаш”) тенгловчи қурилма.

Бу электрон схема бўлиб, иккита кириш ва битта чиқишга эгадир. Агар мусбат кучланишнинг қиймати юқори бўлса чиқишда юқори қийматли сигнал берилади, агар манфий кучланишнинг қиймати юқори бўлса чиқишда паст қийматли сигнал берилади. Мантиқий схемаларни қуришда юқори қийматли сигнал (мантиқий) 1 га тенг, паст қийматли сигнал (мантиқий) 0 га тенг деб олинади.

Компараторлар орқали кучланиш ва мантиқий ўзгарувчилари орасидаги каби рақамли қурилмаларнинг узлуксиз сигналлар орасида муносабат таъминланади. Компараторлар турли электрон қурилмаларда, сигнализация қурилмаларида, ўтказиш-назорат пунктларида қўлланилади.
Кирувчи сигналларнинг бирини таянч кучланиш деб олинади. Таянч кучланиш кейинги компараторнинг киришига борган сигнал диапазонини иккига ажратади. Компараторнинг чиқиш қиймати кейинги компараторнинг кириш қиймати қайси диапазонда эканлигини аниқлайди. Битта таянч киришига эга бўлган компаратор бир таянчли комапаратор, иккита таянч киришига эга бўлгани икки таянчли компаратор дейилади ва ҳ.к.
Микросхемадан чиқадиган компаратор қиймати қуйидаги функциянинг қийматига тенг:

Слайд?

Бунда АМҚ айириш режимида ишлайди (А-В ёки А сонига инверсив В сонини қўшиш амалга оширилади). Агар А=В бўлса барча кириш разрядларида 0 лар бўлади, F нинг барча инверсланган қийматлари 1 тенг бўлади ва F_A-B функциянинг қиймати 1 га тенг бўлади. Бошқа барча ҳолатларда (кирувчи қийматларнинг хеч булмаганда 1 донаси 0 га тенг бўлиб қолса) F нинг қиймати 0 га тенг бўлади. Бир нечта АМҚнинг К чиқишларини параллел улаш натижасида “ВА” мантиқий (мантиқий кўпайтириш) схемасини хосил қиламиз.
Слайд. АМҚлар ёрдамида тенгликни аниқлаш схемаси

Ушбу расмдан кўриниб турибдики, F_A-B сигналини кўчириш сигнали билан комбинациялаш натижасида тенглик билан бир вақтда тенгсизлик қийматини ҳам ҳосил қилиш мумкин (F_{A yoki FA>B)}

Агар AA-B=0 бўлади ва айириш амалини бажаришда юқори разряддан кўчириш бажарилади ва F_{A=1 бўлади. Агар A>B бўлса, FA-B=0 бўлади ва кўчириш бажарилмайди ва натижада FA=1 бўлади.}

Агар A>B бўлса, F_A-B=0 бўлади ва айириш амалини бажаришда юқори разряддан кўчириш бажарилмайди ва мос равишда FA=0 бўлади ва FA=1 бўлади.
Мантиқий амаллар хар бир разрядда мустақил бажарилади. Арифметик амаллар кўчириш ва алмаштиришни инобатга олиб бажарилади.
Катта ҳажмли сўзлар билан ишлаганда АМҚлар кетма-кет бажарилади. Бу холатда схеманинг тезкорлигига кўчиришни тарқатиш тезлиги катта таъсир кўрсатади. АМҚ схемасида кўчириш вақтини максимал камайтиришга ҳаракат қилинади, лекин катта разрядли сўзларни (16 бит, 32 бит) қўшишда вақт ошиб кетиши мумкин. Бундай холатларда АМҚ билан биргаликда кўчиришни тезлатиш блоки деб номланувчи микросхемани ишлатилади. Бу микросхемада кўчириш жараёни G ва H чиқишларини генерация қилиш орқали бажарилади. Битта тезкор ўтказиш блоки бир нечта АМҚларнинг тезкор ўтказишларини ташкил қилади.

Шуни алоҳида таъкидлаш лозимки, юқорида кўриб ўтилган комбинацион типдаги функционал блоклардан ташқари хисоблаш машиналарида юқори разряд кўрсаткичлари, назорат узеллари ва бошқа услублар кенг қўлланилади. Бу ҳақда хисоблаш машиналарини лойихалаш бўйича махсус адабиётлардан маълумот топиш мумкин.