Розробка багатофункціонального блоку арифметико-логічного пристрою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Вихідні дані

2. Арифметико-логічний пристрій (АЛУ)

3. Структурна схема пристрою

4. Вибір елементної бази

5. Принципова електрична схема блоку АЛУ

6. Програмування і моделювання АЛУ

Висновок

Список використаних джерел

Вступ

Обробка даних процесором здійснюється в АЛП, яке містить арифметико-логічний блок АЛБ, блок РОН, блок контролю БК і місцевий блок управління.

Арифметико-логічний блок містить універсальний двійковий комбінаційний суматор, двійково-десятковий суматор або схему десяткової корекції, регістри для тимчасового зберігання двох операндів і результату операцій, а також регістр прапорів. Для підвищення продуктивності в АЛУ можуть включати спеціалізовані вузли зрушення і множення, схеми прискореного перенесення і інші пристрої.

Розрядність АЛУ визначає розрядність усього процесора. Арифметико-логічний пристрій може функціонувати на основі мікропрограмного управління, коли кожна машинна операція ділиться на послідовність елементарних дій (передача слів, інверсія слів та ін.), що реалізовуються в тактах. Елементарне обчислення, що виконується в одному машинному такті, називається мікрооперацією. Усі операції в АЛУ реалізуються як послідовності мікрооперацій над двійковими словами, кожна з яких є сукупністю булевих операцій над бітами слів. Кожна мікрооперація ініціюється відповідними сигналами, що управляють. Сукупність мікрооперацій, що виконуються в одному такті, називається мікрокомандою. Зокрема, мікрокоманда може містити одну мікрооперацію або жодну.

У РОН зберігаються початкові дані, проміжні і кінцеві результати, адреси даних, константи, необхідні для виконання команди.

У АЛУ реалізуються наступні типові мікрооперації:

* Передачі слів між регістрами і пам'яттю;

* Складання двох слів, декремент (мінус 1) або інкремент (плюс 1) слова;

* Арифметичні, логічні і циклічні зрушення управо або вліво;

* Порозрядні логічні операції АБО, І, що виключає АБО і порівняння операндів;

* Перетворення кодів слів - інверсія, доповнення, розширення та ін.

Для вибору порядку проходження мікрооперацій аналізуються логічні умови, які набувають значення одиниці (так) або нуля (ні) залежно від значень операндів і результатів обчислень. Мікроалгоритм операції в термінах мікрооперацій і логічних умов називається мікропрограмою. Кожна машинна операція має свою мікропрограму.

АЛУ може бути представлене композицією операційного і такого, що управляє пристроїв.

У операційному пристрої виконуються арифметико-логічні операції. Пристрій, що управляє, забезпечує виконання операцій за допомогою послідовності сигналів, що управляють, яку воно виробляє залежно від мікропрограми. У математичних моделях АЛУ, перший пристрій представлений операційним автоматом, а другий -- керуючим автоматом (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Структура математичної моделі АЛУ

Операційний автомат (ОА) приймає на вході А операнди, на вході б - керуючі сигнали, передає на вихід Z результати операції і формує безліч значень логічних умов.

Автомат (УА), що управляє, приймає по входу X логічні умови і залежно від їх значень і коду операції по входу б формує послідовність керуючих сигналів.

АЛУ класифікують за наступними ознаками:

* Способу обробки даних - паралельні, послідовні, паралельно-послідовні;

* Системі числення - 2-ві, 8-ві, 10-ві, 16-ві, а також на основі спеціальних систем (залишкових класів, з штучним порядком ваги, чисел Фібоначчі та ін.);

* Формі представлення чисел - з плаваючою або фіксованою комою, цілі двійкові і десяткові числа;

* Часу виконання операцій - синхронні і асинхронні;

* Способу виконання мікрооперацій - із закріпленими мікроопераціями, із загальними операціями;

* Типу керуючого автомату - з схемною або програмованою логікою;

* Методу побудови - багатофункціональні і блокові.

У синхронних АЛУ на виконання різних операцій відводиться один і той же інтервал часу, а в асинхронних - час виконання залежить від типу операції.

У АЛУ із закріпленими мікроопераціями кожен з регістрів за допомогою додаткових комбінаційних схем виконує певний набір мікрооперацій. При цьому комбінаційні схеми часто повторюються, що вимагає додаткових апаратних витрат.

У АЛУ із загальними мікроопераціями виділяють частину, що запам'ятовує, - блок регістрів, в яких виконуються однорідні мікрооперації (прийом операндів, їх зберігання і видачу), і комбінаційну частину, в якій зосереджені усі схеми для виконання мікрооперацій (формування кодів, зрушення, складання та ін.). Обидві частини з'єднуються між собою за допомогою мультиплексорів і демультиплексорів.

Арифметико-логічні пристрої із загальними мікроопераціями часто називають магістральними (до числових магістралей по черзі підключаються регістри).

Багатофункціональні (універсальні) АЛУ використовуються для виконання усього списку операцій. Блокові АЛУ складаються з окремих блоків, орієнтованих на виконання окремих типів операцій (наприклад, блок множення чисел з плаваючою комою). Такі структури використовуються у високопродуктивних комп'ютерах.

У АЛУ можливі два типи УА:

* Зі схемною ("жорсткою") логікою, що складається з елементів пам'яті (тригерів) і комбінаційних схем.

* З програмованою (що зберігається в пам'яті) логікою: для кожної операції в спеціальній пам'яті (частіше в ПЗП) записується мікропрограма у вигляді послідовностей слів, що управляють, - мікрокоманд.

До складу ОА універсальних комп'ютерів входять (рис 2):

* Арифметико-логічний блок (АЛБ);

* Набір регістрів загального призначення (РОН);

* Блок контролю.

У АЛБ виділяють комбінаційний суматор БМ, вхідні регістри А і В для прийому операндів і вихідний регістр З для запису результату. У АЛБ є логічні схеми, що виробляють безліч сигналів логічних умов (ознак результату), наприклад, нульовий або негативний результат та ін.

Рис. 1.2 Узагальнена структура АЛУ

Регістри загального призначення використовують для прийому і зберігання операндів, проміжних і кінцевих результатів. Блок контролю забезпечує перевірку правильності виконання арифметико-логічних операцій. При виявленні помилок і збоїв в роботі ОА блок контролю посилає в УА код помилок.

У АЛУ поступає код операції від центрального облаштування управління. Застосування в АЛУ пристроїв управління з схемною логікою прискорює виконання операцій. Застосування УА з програмованою логікою забезпечує гнучкість мікропрограмування, дозволяє змінювати склад мікропрограм при введенні нових команд. У сучасних АЛУ можуть об'єднуватися обидва типи УА.

Пристрій управління ПУ керує процесом обробки даних, забезпечує основні режими роботи (початкових установок, очікування, переривання, прямого доступу до пам'яті, діагностики і контролю) і взаємодію усіх облаштувань комп'ютера. Для виконання цих функцій ПУ має у своєму складі регістр і дешифратор команд, програмний лічильник для завдання адреси наступної команди, блок управління і схеми синхронізації, діагностики і контролю.

Зазвичай АЛУ чотирирозрядні і для нарощування розрядності об'єднуються з урахуванням послідовних або паралельних перенесень.



1. Вихідні дані

1. Склад функцій АЛУ визначається номером варіанту. Номер варіанту дорівнює порядковому номеру студента в списку групи з урахуванням порядкового номера групи.

Примітка. Знак * вказує на арифметичне складання.

Таблиця 1.1

Варіант

Виконувані блоком АЛП функції

A=B

A

B

11

+

+

-

+

+

-

+

-

+

-

+

2. Розрядність блоку АЛУ - 8 біт.

3. Кількість слів на вході АЛУ - 2

4. АЛУ повинне містити буфер результату операції.

5. Напруга живлення блоку АЛУ -- +5В.

Завдання

1. Визначити варіант проекту і функції блоку АЛУ.

2. Розглянути теоретичні питання (АЛУ, суматори, регістри, структури ИМС К155ИПЗ, К155ИП4 і тому подібне).

3. Розробити структурну або функціональну схему блоку АЛУ.

4. Визначити елементну базу блоку АЛУ.

5. Розробити принципову електричну схему блоку АЛУ.

6. Розробити перелік елементів блоку АЛУ.

7. Розрахувати:

* Максимальний час затримки блоку АЛУ.

* Максимальну споживану потужність блоку АЛУ.

Оформити роботу відповідно до вимог БСКД.



2. Арифметико-логічний пристрій (АЛУ)

Це спеціалізовані мікросхеми, що виконують арифметичні або логічні операції над двома двійковими числами відповідно до програми (мал. 1).

Приклади ИМС серії ИПЗ, ИП4 і їх деякі параметри представлені в таблиці 1.2.

Таблиця 1.2

Умовне позначення	Р			Число	Виводи живлення
	мВт	НС	НС	вив.ИС	+ 5В	Загал.
1ЗЗИПЗ	750	50	48	24	24	12
134ИПЗ	100	180(400)	180 (400)	24	24	12
К155 ИПЗ	750	48	50	24	24	12
530ИПЗ	1100	30	23	24	24	12
К531ИПЗ	1100	30	23	24	24	12
533ИПЗ	170	93	60	24	24	12
К555ИПЗ	185	50	62	24	24	12
КР531ИПЗ	1100	30	23	24	24	12
КР1533ИПЗ	105	70	90	24	24	12
133ИП4	325	17	22	16	16	8
134ИП4	30	200	200	16	16	8
К155ИП4	378	22	17	16	16	8
КМ155ИП4	378	22	17	16	16	8
530ИП4	500	11	10	16	16	8
КМ555ИП4	-	-	-	16	16	8

Рис. 2.1 Мікросхеми серії К155 ИП3 та ИП4

АЛУ типу ИПЗ (рис. 2.1) призначене для дій з двома чотирирозрядними двійковими словами: . Конкретний вид операції, що виконується мікросхемою, задається 5-розрядним кодом на входах М . Усього АЛУ може виконати 32 операції: 16 логічних (І, І-НЕ, АБО, ИЛИ-НЕ, що виключає АБО та ін.) і 16 арифметичних (складання, віднімання, подвоєння, порівняння чисел та ін.). Операції складання і віднімання проводяться з прискореним перенесенням з розряду в розряд. Крім того, є вхід прийому сигналу перенесення С. На виходах формуються результати логічних перетворень і арифметичних дій.

На виході перенесення С4 утворюється сигнал для старшого (п'ятого) розряду при виконанні арифметичних операцій. Додаткові виходи - утворення прискореного перенесення в і поширення прискореного перенесення Р. Вони використовуються при організації багато розрядних АЛУ у разі їх поєднання з блоком прискореного перенесення типу ИП4 (рис.2.1).

Слова А і В, що підлягають обробці, можуть бути представлені в позитивній або негативній логіці. Таблиці істинності для кожного варіанту логіки різні (таблиця. 1.3, 1.4). Щоб уникнути плутанини рівні сигналів позначені в них буквеними символами. Результати арифметичних операцій виражені в додатковому коді.

Таблиця 1.3

	Позитивна логіка
				Логічні функції	Арифметичні операції
L	L	L	L
L	L	L	H
L	L	H	L
L	L	H	H	0 в кожному розряді	1 в кожному розряді	0 в кожному розряді
L	H	L	L
L	H	L	H
L	H	H	L
L	H	H	H
H	L	L	L
H	L	L	H
H	L	H	L
H	L	H	H
H	H	L	L	1 у кожному розряді
H	H	L	H
H	H	H	L
H	H	H	H

Таблиця 1.4

	Негативна логіка
				Логічні функції	Арифметичні операції
L	L	L	L
L	L	L	H
L	L	H	L
L	L	H	H	0 в кожному розряді	1 в кожному розряді	0 в кожному розряді
L	H	L	L
L	H	L	H
L	H	H	L
L	H	H	H
H	L	L	L
H	L	L	H
H	L	H	L
H	L	H	H
H	H	L	L	1 у кожному розряді
H	H	L	H
H	H	H	L
H	H	H	H

Примітки

Як відзначалося, числа в додатковому і в зворотному кодах пов'язані простим співвідношенням N_доп= N_обр+ 1 або N_обр = N_доп,, - 1. Тому в тих рядках таблиці, де вказана операція "мінус 1", результат операції представлений в зворотному коді.

Старший розряд коду вибору операції (вхід Ь) визначає характер дій, виконуваних АЛУ. Коли на цьому вході сигнал високого рівня, АЛУ робить логічні операції порозрядних над кожною парою біт слів А і В. Внутрішнє перенесення між розрядами в цьому режимі не діє. Арифметичні операції виконуються, коли на вході М діє низький потенціал, який є також дозволяючим сигналом для перенесення між розрядами. Вихідний сигнал формується з урахуванням стану входу перенесення. Обидва сигнали перенесення -- вхідний C і вихідний C₄ -- інверсні відносно сигналів на входах А і В, тобто коли слова А і В -- в позитивній логіці, сигналу перенесення відповідає низький рівень напруги на відповідному виводі, а в негативній логіці -- навпаки.

АЛУ виконує арифметико-логічну операцію, логічна операція реалізується порозрядно, а арифметична -- з перенесенням. Наприклад, вхідному коду М = L H H L H відповідає операція А*В плюс А, де А*В -- логічне множення двох слів. Якщо А = 1010(2) і В = 0111(2), то перша операція дає А*В = 1010(2> і, отже, 0010(2) плюс 1010<2) -- 1100а).

При використанні АЛУ як компаратор, сигнал знімають з виходу А = В (висновок 14). Цей вихід з відкритим колектором, і його слід підключати до джерела живлення через зовнішній резистор 1 кОм. Коли числа А і В рівні, на виході А = А формується сигнал високого рівня. Одночасно сигнал на виході С4 (контакт 16) характеризує співвідношення між числами А і В (таблиця. 5).

Для арифметичних дій із словами великої довжини АЛУ включають послідовно. Сполучають вихід перенесення -- C попередньої НС з входом перенесення C подальшої. Якщо пред'являються жорсткі вимоги до швидкодії ІС, то можлива організація прискореного перенесення з допомогою ІС типу ИП4 (мал. 2).

В цьому випадку час виконання операції над 16-розрядними числами складе . Виходи перенесення Р і G ІС типу ИП4 використовуються для утворення групового перенесення.

Таблиця 1.5

Віхдний код	Вид логіки	Стан входів
	Позитивна
	Негативна

3. Структурна схема пристрою

Рис. 3.1 Структурна схема пристрою

Умовні позначення:

АЛУ - арифметико-логічний пристрій.

БУП - блок ускореного переносу.

RG - Регістр.

A - Перше чотири розрядне слово .

B - Друге чотири розрядне слово

M - керуючий сигнал для вибору арифметичної чи логічної операції M.

S - Керуючі сигнали

Опис структурної схеми пристрою

Блок багатофункціонального АЛУ має наступну будова і принцип роботи:

* дві мікросхеми АЛУ;

* блоку прискореного перенесення;

* регістра, 533ИР27.

На мікросхеми АЛУ подаються два чотирьох розрядних двійкових слова А і В. Конкретний вид операції, що виконується мікросхемами, задається 5-розрядним кодом на входах М . Для організації швидкодії блоку АЛУ використовуємо блок прискореного перенесення. Перенесення на вході кожною з АЛУ (1, 2 або 3) заноситься до блоку прискореного перенесення. На мікросхемі АЛУ також є виходи, які заводяться до блоку прискореного перенесення.

На ІМС також є дві ніжки: для перенесення числа на вході (перед виконанням операції), який подається на вхід АЛУ; і для перенесення числа на виході (після виконання операції), який заноситься до регістра.

Після виконання логічної або арифметичної операції, результат заноситься в регістр. Для виконання завдання використовуємо як мінімум 14-ти розрядний регістр для зберігання і виведення інформації. Так само на RG подається два сигнали: C - сигнал запису, R - обнулення регістра.

Кожен з елементів має два обов'язкові входи для живлення (+5В) І для заземлення (0В).

4. Вибір елементної бази

Для побудови блоку багатофункціонального АЛУ було використано такі елементи:

1) Восьми-розрядний універсальний зсувовий регістр К155 ИР27.

1- вхід режимний SО; 2- вхід послідовного введення інформації при зсуві вправо 3- вхід інформаційний D0; 4- вихід QО; 5 - вхід D1; 6- вихід Q1; 7 - вхід D2 8 - вихід D2 9 - вхід D3 10- вихід Q3; 11- вхід синхронізації C; 12- загальний; 13- вхід інверсне "скидання" R; 14- вихід Q4; 15 - вхід D4; 16 - вихід Q5; 17 - вхід D5; 18 - вихід Q6; 19 - вхід D6; 20 - вихід Q7; 21 - вхід D7; 22- вхід послідовного введення інформації при зсуві вліво; 23- вхід режимний S1; 24- напруга живлення;

Рис. 4.1 Регістр К155 ИР27

Таблиця 1.6

Електричні параметри

1	Номінальна напруга живлення	5 В ± 5 %
2	Вихідна напруга низького рівня	не більше 0,4 В
3	Вихідна напргуа високого рівня	не менше 2,4 В
4	Завадостійкість	не менше 0,4 В
5	Вхідний струм низького рівня	не більше -1,6 мА
6	Вихідний струм високого рівня	не більше 0,04 мА
7	Струм КЗ	-18..,-57 мА
8	Споживана потужність	не більше 609 мВт !
9	Робоча частота	25 МГц

1 - інформаційний вхід молодшого розряду В0; 2 - інформаційний вхід молодшого розряду А0; 3,4,5,6 - вхід "вибір функції* (); 7 - вхід "перенесення" CD; 8 - вхід "режим роботи" (М); 9 - вихід "утворення функції" молодшого розряду (FО); 10,11 - вихід "утворення функції" (F1, F2); 12 - загальний; 13 - вихід "утворення функції" старшого розряду (FЗ); 14 - вихід "порівняння" (К); 15 - вихід "поширення перенесення" (Р); 16 - вихід "перенесення" (С4); 17 - вихід "утворення перенесення" (G); 18,19 - інформаційні входи старшого розряду (ВЗ, АЗ); 22,23 - інформаційні входи (В1, А1); 24 - напруга живлення;

Рис. 4.2 Арифметико-логічний пристрій К155 ИП3

Рис. 4.3 Блок ускореного переносу К155ИП4



5. Принципова електрична схема блоку АЛУ

Рис. 5.1 Принципова електрична схема блоку АЛУ

Опис принципової електричної схеми

Блок багатофункціонального АЛУ має наступну будова і принцип роботи:

* дві мікросхеми АЛУ;

* блок прискореного перенесення;

* 2 регістра, 533ИР27.

На мікросхеми АЛУ подаються два чотирьох розрядних двійкових слова X і Y. Конкретний вид операції, що виконується мікросхемами, задається 5-розрядним кодом на входах М . Для організації швидкодії блоку АЛУ використовуємо блок прискореного перенесення. Перенесення на вході кожною з АЛУ заноситься до блоку прискореного перенесення. На мікросхемі АЛУ також є виходи, які заводяться до блоку прискореного перенесення.

На ИМС також є дві ніжки: для перенесення числа на вході (перед виконанням операції), який подається на вхід АЛУ; і для перенесення числа на виході (після виконання операції), який заноситься до регістра.

Після виконання логічної або арифметичної операції, результат заноситься в регістр(RG). Для виконання завдання використовуємо як мінімум 14-ти розрядний регістр для зберігання і виведення інформації. Так само на RG подається два сигнали: C - сигнал запису, R - обнулення регістра.

6. Програмування і моделювання АЛУ

Для кодування функцій, які виконуватимуться блоком АЛУ, були використані дані варіанту, таб. 1.1., на основі яких було побудовано закодовану таблицю 1.7.

Таблиця 1.7

Кодування функцій, які виконуються блоком АЛУ

					Функція
*	*	*	*	*
1	0	1	1	1
0	1	1	0	1
1	0	0	1	0
1	1	0	1	1
1	0	1	0	1
0	1	0	1	1

Примітка: функція А=В виконується коли на виходах встановлено всі одиниці.

Таблиця 1.8

Перевірка працездатності АЛУ

0	0	0	0	1	1	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1
1	0	1	1	0	1	1	1	1	0	1	1	0	0	1	1	1
1	1	0	1	0	1	0	0	0	1	1	0	1	0	0	1	1
0	1	0	0	0	1	1	1	1	0	0	1	1	0	1	1	0
0	0	1	1	1	0	1	1	1	1	0	1	0	1	1	1	1
1	0	1	0	0	1	1	0	1	0	1	0	0	1	1	0	1
1	0	1	1	0	1	0	1	0	1	0	1	1	0	1	0	1

Рис. 6.1 Схема моделювання АЛУ

Рис. 6.2 Часова діаграма роботи АЛУ



Висновок

Метою даної курсової роботи є ознайомлення студента із структурою блоку багатофункціонального АЛУ. Була поставлена задача вивчити елементи, з яких складається блок, їх назви, умовні позначення, принцип роботи, функції, програмування цих елементів.

У результаті виконання даної курсової роботи, я ознайомився із будовою АЛУ, навчився складати багатофункціональний блок АЛУ для виконання різноманітних математичних та логічних задач. Закріпив накопичений лекційний матеріал.

Курсова робота відповідає усім вихідним даним та задовольняє усі поставлені цілі. Технічне завдання виконано повністю.

арифметичний логічний блок багатофункціональний



Список використаних джерел

1. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ-Петербург, 2000. 528 с.

2. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. М.: Энергоатомиздат, 1988.

3. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / СВ. Якубовский и др. М.: Радио и связь, 1989. 496 с.

4. Проектирование микропроцессорной электронно-вычислительной аппаратуры: Справочник / В.Г. Артюхов, А.А. Будняк и др. К.: Техника, 1988. 263 с.

5. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, 2002. 704 с.

Размещено на Allbest.ru

...