Структурная схема арифметико-логического устройства

Практическая работа №11

Тема: Структурная схема арифметико-логического устройства

Цель: Изучение структурной схемы арифметико-логическое устройство.

Вид работы: индивидуальный

Время выполнения: 2 часа.

Теоретические сведения

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - центральная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции.

АЛУ реализует важную часть процесса обработки данных. Она заключается в выполнении набора простых операций. Операции АЛУ подразделяются на три основные категории: арифметические, логические и операции над битами. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ). Операции над битами обычно подразумевают сдвиги.

АЛУ состоит из регистров, сумматора с соответствующими логическими схемами и элемента управления выполняемым процессом. Устройство работает в соответствии с сообщаемыми ему именами (кодами) операций, которые при пересылке данных нужно выполнить над переменными, помещаемыми в регистры.

Арифметико-логическое устройство функционально можно разделить на две части:

а) микропрограммное устройство (устройство управления), задающее последовательность микрокоманд (команд);

б) операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).

Рисунок 13 - Структурная схема АЛУ

Структурная схема АЛУ и его связь с другими блоками машины показаны на рис. 13. В состав АЛУ входят регистры Рг1 - Рг7, в которых обрабатывается информация, поступающая из оперативной или пассивной памяти N1, N2, ...NS; логические схемы, реализующие обработку слов по микрокомандам, поступающим из устройства управления.

Закон переработки информации задает микропрограмма, которая записывается в виде последовательности микрокоманд A1,A2, ..., Аn-1,An. При этом различают два вида микрокоманд: внешние, то есть такие микрокоманды, которые поступают в АЛУ от внешних источников и вызывают в нем те или иные преобразования информации (на рис. 1 микрокоманды A1,A2,..., Аn), и внутренние, которые генерируются в АЛУ и воздействуют на микропрограммное устройство, изменяя естественный порядок следования микрокоманд. Например, АЛУ может генерировать признаки в зависимости от результата вычислений: признак переполнения, признак отрицательного числа, признак равенства 0 всех разрядов числа др. На рис. 1 эти микрокоманды обозначены р1, p2,..., рm.

Результаты вычислений из АЛУ передаются по кодовым шинам записи у1, у2, ...,уs, в ОЗУ. Функции регистров, входящих в АЛУ: Рг1 – регистр (или сумматоры) - основной регистр АЛУ, в котором образуется результат вычислений; Рг2, РгЗ - регистры слагаемых, сомножителей, делимого или делителя (в зависимости от выполняемой операции); Рг4 - адресный регистр (или адресные регистры), предназначен для запоминания (иногда и формирования) адреса операндов и результата; Ргб - k индексных регистров, содержимое которых используется для формирования адресов; Рг7 - i вспомогательных регистров, которые по желанию программиста могут быть аккумуляторами, индексными регистрами или использоваться для запоминания промежуточных результатов.

Ход работы

В задании используются универсальные регистры, разрядность которых (n) можно определить по количеству выходов. В регистре к1500ир141 имеется 4 выходов следовательно разрядность регистра (n) будет равна 4 Микросхема к1500ир141 представляет собой регистр, состоящий из 4 D-тиггеров. Выходы М01 и М02 позволяют выбрать один из четырех режимов работы регистра: загрузка данных, хранение данных, сдвиг данных в лево или в право. Все операции (кроме хранения) происходят по положительному перепаду на тактовом входе С. Регистр имеет 2 последовательных входа SIL (вход данных для сдвига в право) и SIR (вход данных для сдвига влево). При напряжении высокого уровня на входах М01 и М02 регистр хранит данные независимо от сигналов на других входах. Условно графическое обозначение микросхемы к1500ир141 представлено на рисунке 14.

Рисунок 14 - Условно графическое обозначение микросхемы к1500ир141 и обозначение входов и выходов

Для данной микросхемы существуют 2 способа записи информации последовательный и параллельный. При последовательном способе записи сигнал V должен быть низкого уровня, а код, который записывается, должен поступать на вход D0. С каждым тактовым импульсом М01 входной код продвигается на один разряд в сторону старшего разряда. При параллельном способе записи код подается на входы D4-D1. Запись проводится в паузе между тактовыми импульсами М01 при V=1 импульсом М02. Если после записи число нужно сдвинуть, то регистр переводят в режим сдвига сигналом V=0 и руководят с помощью импульсов М01. При условии, что Q1 - выход младшего разряда, а Q4 - старшего, информация в регистре сдвигает влево (обратной сдвиг). Но он может быть преобразован и в регистр со сдвигом вправо (прямой сдвиг). Для этого необходимо выполнить следующие внешние соединения: D3 с Q4, D2 с Q3, D1 с Q2. Код записывают по входу D4 при V = 1, а руководят регистром тактовыми импульсами М02. Таким образом, в рассмотренном регистре выполняются условия как прямого, так и обратного сдвигов. Регистр имеет выходы от всех разрядов, что позволяет считывать записанный код как в последовательной, так и в параллельной формах представления информации во времени.

Рисунок 15 – Логическая схема регистра к1500ир141

Регистр к1500ир141 является универсальными (регистр общего назначения), он может использоваться для временного хранения любых данных, при этом позволять работать как с регистром целиком, так и отдельно и с каждой его половиной, (регистры АН, ВН, СН, DH -- старшие (High) байты, а регистры AL, BL, CL, DL -- младшие (Low) байты, соответствующих двухбайтовых регистров). Но также универсальный регистр к1500ир141 может использоваться и как специальный при выполнении некоторых конкретных команд программы.

В данной работе требуется рассчитать сигналы на выходе микросхемы к1500ир141 после подачи на вход двоичного сигнала 1110 при сдвиге влево на 4 разряда. При сдвиге влево происходит смещение операнда на более уровень а на его место устанавливается сигнал 0. Процесс сдвига показан в таблице 2.

Таблица 2 – Процесс сдвига влево на 4 разряда

Вход триггера                        Q4     Q3     Q2     Q1

Число сдвига                        1       1       1        0

Число после 1-го сдвига         1       1       0        0

Число после 2-го сдвига         1       0       0        0

Число после 3-го сдвига         0       0       0        0

Число после 4-го сдвига         0       0       0        0

Результатом сдвига будет двоичное число 0000.

Задания к практической работе

1.       Исследуйте арифметико-логическое устройство для выполнения логических операций;

2.       Приведите условно–графическое обозначение микросхемы регистра, входящего в состав арифметико-логического устройства;

3.       Опишите принцип работы арифметико-логического устройства;

4.       Рассмотрите логическую схему регистра;

5.       Проанализируйте принцип записи, чтения и хранения информации в регистре;

6.       Укажите на схеме сигналы, передаваемы на информационные входы регистра; укажите номера и типы входов, на которые подаются управляющие сигналы в режиме записи; укажите на выходы двоичных чисел, зафиксированное в регистре после выполнения сдвига влево на 4 разряда; укажите номер входа, на который поступают импульсы сдвига;

7.       Проанализируйте работу сумматора входящего в арифметико-логического устройства;

Таблица 3 – Заданные арифметические и логические операции.

Для выполнения задания потребуются следующие микросхемы:

8.                                         КР1533ЛН1:

9.                                         К155ЛИ1:

10.                                     К155ЛЛ1:

11.                                     КМ555ЛП5:

12.                                     К555ЛИ3:

13.                                     К555ЛЛ3:

14.                                     К555ЛЛ6:

15.                                     К155ТМ2:

Контрольные вопросы и задания

1.                 Перечислите основные операции, выполняемые АЛУ?

2.                 Чем отличаются логические и арифметические операции?

3.                 Как с помощью АЛУ выполнить операцию умножения операнда на 2?

4.                 Из каких двух основных устройств состоит процессор?

5.                 Проанализируйте систему команд микропроцессора 18080 (КР580ИК80) и возможность использования в них логических функций и арифметических операций ИМС 74181.

6.                 Куда всегда помещается результат выполнения логических команд, команд сложения и вычитания?

7.                 Скачано с www.znanio.ru