АЛУ на базе логических запоминающих устройств (ЛЗУ)

При решении информационно-логических задач значительная часть времени уходит на выполнение логических операций. Одним из эффективных способов повышения производительности ЭВМ при выполнении логических операций является реализация их в специализированных структурах, получивших название логических ЗУ. Это возможно благодаря свойству практически всех ЗЭ реализовывать поразрядную дизъюнкцию при записи слова в ячейку без предварительной ее очистки. Кроме того, на регистре RGD можно получить поразрядное отрицание. Поскольку дизъюнкция и отрицание являются функционально полной системой операций, то любая поразрядная логическая операция может быть выполнена непосредственно в ЗУ. Любое ЗУ, ЗЭ которого обладают таким свойством, можно практически без каких-либо дополнительных аппаратурных затрат преобразовать в логическое. Для этого достаточно внести такие изменения в блок управления, чтобы наряду с обычной записью слов можно было осуществить запись в ячейку без предварительной ее очистки. Операция такого типа протекает примерно в 2 раза быстрее, так как отсутствует такт очистки. Реализация логических операций непосредственно в ЗУ использовалась в ЭВМ БЭСМ-6.

Процедура выполнения других поразрядных логических операций сложнее. Например, выполнение поразрядной конъюнкции по формуле требует нескольких обращений к ЗУ в последовательности, приведенной в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Операция	Содержимое ячеек
RGD	a	b
0. Исходное состояние		x	y
1. (a) ® RGD	x		y
2. ()® a			y
3. (b) ® RGD	y
4. ()® a
5. (a) ® RGD
6. ()® a

Логические возможности ЗУ значительно расширяются, если к РШ можно подключать прямые и инверсные выходы RGD. Рассмотрим статический ЗЭ на основе триггера (T), выполненного на МДП-транзисторах (рис. 9.6). Транзисторы VT3 и VT4 служат в качестве сопротивлений нагрузки для VT1 и VT2, выполняют функции элементов И и работают в режиме двусторонней проводимости. При чтении возбуждается АШ, открывая VT5 и VT6. Запись осуществляется по совпадению сигналов на АШ и РШ (0 или 1), т. е. система выборки 2D.

Рис. 9.6. Статический запоминающий элемент на МДП-транзисторах

Обозначим через X и Y цифры, записанные в ЗЭ и соответствующем разряде RGD. Возможны два варианта двухканальной связи RGD ® РШ:

1. ® РШ0 и RGD ® РШ1;

2. ® РШ1 и RGD ® РШ0,

и четыре варианта одноканальной связи:

3. ® РШ0; 4. ® РШ1;

5. RGD ® РШ0; 6. RGD ® РШ1.

Первый вариант характеризуется обычным подключением RGD к РШ (нулевой выход RGD подключается к РШ0, а единичный выход – к РШ1). При втором варианте производится инверсное включение RGD. Остальные варианты получаются из первых двух путем отключения одной из шин. Функции, реализуемые при записи Y в ЗЭ, хранящий X, приведены в табл. 9.2.

Таблица 9.2

X	Y	Реализуемые функции
X	Y	Y		XY

Из этой таблицы следует, что кроме поразрядной дизъюнкции и инверсии за одно обращение к памяти могут выполняться еще три двухместные операции. За счет дальнейшего усложнения АЦ, РЦ и накопителя можно добиться однотактного выполнения любой двухместной операции. Кроме повышения быстродействия ЭВМ логические ЗУ (ЛЗУ) также применяются и для создания ЭВМ с малыми аппаратурными затратами. Минимизацию этих затрат удается произвести за счет выполнения в ЛЗУ не только логических, но и арифметических операций, благодаря чему от АЛУ можно отказаться. Это удается осуществить, если имеется возможность записывать слова в накопитель со сдвигом на один разряд влево или вправо. Известно, что любая арифметическая операция сводится к микрооперациям сложения и сдвига. В свою очередь сложение сводится к поразрядным операциям:

,

.

В табл. 9.3 приведен пример реализации сложения многоразрядных чисел путем выполнения поразрядных операций и сдвига.

Таблица 9.3

Так как любая арифметическая операция сводится к сдвигам и суммированиям, то все функции АЛУ можно реализовать в ЛЗУ. Известно, что микропрограммное устройство управления может быть построено на базе ПЗУ. Функции ЛЗУ шире, чем у ПЗУ, поэтому реализация микропрограммного устройства управления возможна и на базе ЛЗУ. Следовательно, ЛЗУ может совмещать в себе функции трех основных устройств ЭВМ: арифметико-логического, запоминающего и управляющего, что позволяет строить на основе ЛЗУ простые ЭВМ.