Операционные устройства ЭВМ
В классической фон-неймановской ВМ функция арифметической и логической обработки данных возлагается на арифметико-логическое устройство (АЛУ). Учитывая разнообразие выполняемых операций и типов обрабатываемых данных, реально можно говорить не о едином устройстве, а о комплексе специализированных операционных устройств (ОПУ), каждое из которых реализует определенное подмножество арифметических или логических операций, предусмотренных системой команд ВМ. С этих позиций следует выделить:
- ОПУ целочисленной арифметики;
- ОПУ для реализации логических операций;
- ОПУ десятичной арифметики;
- ОПУ для чисел с плавающей запятой.
На практике две первых группы обычно объединяются в рамках одного операционного устройства. Специализированные ОПУ десятичной арифметики в современных ВМ встречаются достаточно редко, поскольку обработку чисел, представленных в двоично-десятичной форме, можно достаточно эффективно организовать на базе средств целочисленной двоичной арифметики. Таким образом, будем считать, что АЛУ образуют два вида операционных устройств: целочисленное ОПУ и ОПУ для обработки чисел в формате с плавающей запятой (ПЗ).
В минимальном варианте АЛУ должно содержать аппаратуру для реализации, лишь основных логических операций, сдвигов, а также сложения и вычитания чисел в форме с фиксированной запятой (ФЗ). Опираясь на этот набор, можно программным способом обеспечить выполнение остальных арифметических и логических операций как для чисел с фиксированной запятой, так и для других форм представления информации. Следует, однако, учитывать, что подобный вариант не позволяет добиться высокой скорости вычислений, поэтому по мере расширения технологических возможностей доля аппаратных средств в составе АЛУ постоянно возрастает.
Набор элементов, на основе которых строятся структуры различных ОПУ, называется структурным базисом. Структурный базис ОПУ включает в себя:
- регистры, обеспечивающие кратковременное хранение слов данных;
- управляемые шины, предназначенные для передачи слов данных;
- комбинационные схемы, реализующие вычисление функций микроопераций и логических условий по управляющим сигналам от устройства управления.
С практических позиций больший интерес представляют два вида структур ОПУ: жесткая и магистральная.
В ОПУ с жесткой структурой комбинационные схемы жестко распределены между всеми регистрами. К каждому регистру относится свой набор комбинационных схем, позволяющих реализовать определенные микрооперации. Достоинством ОПУ с жесткой структурой является высокое быстродействие, недостатком – малая регулярность структуры, что затрудняет реализацию таких ОПУ в виде больших интегральных схем.
В ОПУ с магистральной структурой все внутренние регистры объединены в отдельный узел регистров общего назначения (РОН), а все комбинационные схемы – в операционный блок (ОПБ), который зачастую ассоциируют с термином «арифметико-логическое устройство». Операционный блок и узел регистров сообщаются между собой с помощью магистралей – отсюда и название «магистральное ОПУ».
Пример магистрального ОПУ представлен на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Структура магистрального ОПУ
В состав узла РОН здесь входят N регистров общего назначения, подключаемых к магистралям А и В через мультиплексоры MUX А и MUX В. Каждый из мультиплексоров является управляемым коммутатором, соединяющим выход одного из РОН с соответствующей магистралью. Номер подключаемого регистра определяется адресом a или b, подаваемым на адресные входы мультиплексора из устройства управления.
В операционных устройствах для обработки чисел с плавающей запятой вместо РОН часто используется отдельный узел регистров с плавающей запятой.
По магистралям А и В операнды поступают на входы операционного блока, к которым подключается комбинационная схема, реализующая требуемую микрооперацию (по сигналу управления из УУ). Таким образом, любая микрооперация ОПБ может быть выполнена над содержимым любых регистров ОПУ. Результат микрооперации по магистрали С заносится через демультиплексор DMX С в конкретный регистр узла РОН. Демультиплексор представляет собой управляемый коммутатор, имеющий один информационный вход и N информационных выходов. Вход подключается к выходу с заданным адресом «с», который поступает на адресные входы DMX С из УУ.
Основным достоинством магистральных ОПУ является высокая универсальность и регулярность структуры, что облегчает их реализацию на кристаллах интегральных схем (ИС). Вообще говоря, магистральная структура ОПУ в современных ЭВМ является превалирующей.