Лаб_7_АЛП

Розробив: Малярчук В.О.

Лабораторна робота № 7

(час виконання роботи 4 год.)

Дослідження арифметично-логічного пристрою

1. Ціль роботи

Вивчення будови арифметично-логічного пристрою. Дослідження роботи арифметично-логічного пристрою (на базі мікросхеми середньої інтеграції 74181).

2. Методичні вказівки

По літературі і конспекту лекцій вивчити наступні питання:

– вивчити умовно-графічні позначення арифметично-логічного пристрою;

– вивчити принцип побудови і логіки роботи арифметично-логічного пристрою.

3. Короткі теоретичні відомості

Арифметично-логічний пристрій – АЛП, англійською мовою, відповідно, Arithmetic-Logic Unit – ALU, є складною цифровою мікросхемою, яка може виконувати всі комбінаційні функції, а також виконувати ряд інших операцій. Більша частина інформації в комп’ютерах обробляється саме в АЛП, який є складовою частиною в спеціальній інтегральній схемі, що іменується центральним процесором (Central Processor Unit — CPU). У первинному комп’ютері IBM РС мікросхема CPU була виготовлена Intel Corporation і названа 8080. Центральний процесор власне і визначає тип ПК: наприклад, при 486-ий CPU і комп’ютер називають 486-й (”четвірка”), при CPU типу Pentium і ПК називають Pentium (від грец. Pente – п’ять).

АЛП виконує одну з головних функцій мікропроцесора – обробку даних. Як правило АЛП має два вхідні порти і один вихідний, що слугують, відповідно, для введення і виведення слів. Вхідні порти забезпечуються буферними регістрами для зберігання одного слова даних. Останні тут не розглядаються, як, втім, і останні, зв’язані з АЛП: акумулятор, регістр станів і шини. Перелік функцій власне АЛП залежить від архітектури мікропроцесора і різний для машин різних типів.

Розглянемо АЛП на мікросхемі середньої інтеграції 74181, яка є паралельним чотирьохрозрядним приладом, здатним виконувати 16 арифметичних і всі 16 можливих логічних операцій над двома паралельними чотирьохрозрядними словами-операндами А0 – А3 і В0 – В3. Важливими арифметичними операціями є: додавання, віднімання, передача даних, диференціювання, позитивний приріст, негативний приріст, інвертування і подвоєння. Система позначень, прийнятих в даному АЛП, така:

А0 — А3, В0 — ВЗ – входи операндів (активних низьких);

S0, S1, S2, S3 – функції вибору режимів;

М – вход контролю режиму;

СN – вхід перенесення;

F0, F1, F2, F3 – виходи функцій (активних низьких);

А=В – вихід компаратора;

G – вихід формування переносу (активний низький);

Р – вихід розповсюдження перенесення (активний низький);

СN+4 – вихід перенесення.

Необхідна операція вибирається по чотирьох лініях вибірки S0…S3 і лінії управління режимом М, яка має низький рівень для арифметичних операцій і високий для логічних операцій. Це безпосередньо виходить з розгляду таблиці істинності (ТІ), запозиченої з розділу Help програми EWB і показаній на рис. 1.

Рис.1. Таблиця істинності арифметично-логічного пристрою (на базі мікросхеми середньої інтеграції 74181)

Пристрій має ”вхід перенесення”, ”вихід перенесення” для наскрізного перенесення при каскадуванні вузлів і дві допоміжні функції прискореного перенесення (”формування переносу” і ”розповсюдження перенесення”) для використання прискореного перенесення мікросхеми 74182. Мікросхема забезпечує вихід умови А=В з відкритим колектором, який можна зв’язати схемою І з виходами А=В інших АЛП для виділення умови всіх високих рівнів виходів декількох пристроїв.

У логічній частині АЛП 74181 чотири ідентичні логічні схеми І/АБО відкривають вхідні операнди А і В чотирма лініями вибірки S0-S3 для формування необхідних допоміжних функцій І і АБО першого рівня. Потім вони використовуються для формування функцій суми і перенесення. Внутрішнє прискорене перенесення забезпечує високу швидкодію. Вихід А=В формується шляхом виставки всіх одиничних станів на F-виходах. Коли управляючий вхід М високий, то розповсюдження перенесень заборонене і на виходах виробляються логічні функції. Наявні в АЛП функції утворюють закритий набір, такий, що інверсія логічних входів дає наявну в цьому наборі функцію. Тому цей пристрій виконує ті ж логічні і арифметичні функції в активному високому представлені, як і в активному низькому представлені, але при відмінному коді вибірки. Мікросхема допускає також змішане кодування станів.

Представлена мікросхема (див. рис. 2) відповідає режиму суматора без перенесення. Значення чотирьохрозрядних операндів А і В на вході задаються за допомогою ключів 1 — 8 і в шестнадцатирічному коді відображаються однойменними алфавітно-цифровими індикаторами. На виходах F0-F3 результат додавання відображається індикатором С. Змінюючи стан сигналів на входах управління, можна промоделировать більшість функцій АЛП, що використовуються в мікропроцесорі.

Рис.2. Використання мікросхеми середньої інтеграції 74181 в якості суматора

Як приклад розглянемо роботу АЛП для виконання логічної функції, що Виключає АБО (XOR), яка широко використовуваною в мікропроцесорі для здійснення різноманітних перевірок. У ТІ на рис. 1 ця операція для зручності набору з клавіатури позначена знаком плюс, узятим в лапки ”+”. Так як ця логічна операція здійснюється при тих же положеннях ключів, що і при розглянутому вище арифметичному додаванні, то залишимо їх без зміни за винятком М, який переведемо на високий рівень. Для подальшої

перевірки результату вихід інвертуємо, створивши спеціальний субблок 4х NOT (див. рис. 3, а, б).

Рис. 3. Спеціальний субблок 4х NOT для інвертування вихідних сигналів

Остаточно схема і результат її роботи показані на рис.4. Для перевірки цього результату можна зібрати просту схему на восьмивходовому ЛЕ типу XOR або підрахувати його алгебраїчно

F=AВ’+A’B=(0010)(1100)+(1101)(0011)=0001.

Такий результат виходить при порозрядному виконанні відповідних булевих логічних операцій над операндами і його же видно на вихідному дисплеї С (див. рис. 4).

Рис. 4. Використання мікросхеми середньої інтеграції 74181 для виконання логічних операцій

4. Завдання і порядок виконання роботи

Дослідження арифметичного-логічного пристрою

1. Побудувати експериментальну установку для дослідження складової частини процесора – арифметичного-логічного пристрою (на базі мікросхеми середньої інтеграції 74181), зображену на рис.5.

2. Запустити установку на моделювання та провести дослідження пристрою в відповідності з таблицею істинності, що зображена на рис. 1.

Рис. 5. Варіант схеми віртуальної лабораторної установки для дослідження АЛП (на базі мікросхеми середньої інтеграції 74181)

5. Зміст звіту

Звіт повинен бути оформлений на аркушах паперу (в електронному вигляді надісланий за адресою, вказаною викладачем) і містити:

Ціль роботи.

Принципову схему експериментальної установки (рис.5).

Результати досліджень роботи АЛП.

Висновки, що базуються на аналізі отриманих результатів.

6. Список літератури

Бабич М.П., Жуков І.А. Комп’ютерна схемотехніка. Навчальний посібник. – К.: НАУ, 2002. – 508 с.

Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных систем. – СП.: БХВ Петербург, 2004. – 240 с.

Сенько В.І., Панасенко М.В., Сенько Є.В. і др. Електроніка і мікросхемотехніка. Том 3. Цифрові пристрої. –К.: «Каравела», 2008. – 399 с.

Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. Учебное пособие. – СП.: БХВ Петербург, 2001. – 528 с.

7. Контрольні питання

Охарактеризуйте призначення арифметико-логічного пристрою.

Поясніть структуру арифметико-логічного пристрою в вигляді композиції операційного автомата і управляючого автомата.

Перерахуйте класифікаційні признаки арифметико-логічного пристрою.

Охарактеризуйте мову мікрооперацій.

Охарактеризуйте функції пристрою управління.

Що таке програмна і мікропрограмна частини пристрою управління?

Поясніть функцію мікропрограмного автомату.

Вкажіть на відмінності побудови управляючого автомата з схемною і програмованою логікою.

Дайте характеристику горизонтального і вертикального кодування в мікрокомандах.

Поясніть структуру центрального пристрою управління.