Арифметическо-логические устройства. 
Электротехника и электроника

Назначение. Арифметическо-логические устройства (АЛУ) предназначены для выполнения арифметических и логических операций над «-разрядными операндами, А = A».]. .AAq и В = В_п…В]В₀. Вид выполняемой операции задастся сигналом М (Mode — режим). На;

пример, 4-разрядные АЛУ (п = 4) выполняют 16 арифметических (А/ = 0) и 16 логических (Л/ = 1) операций. Выбор одной из 16 арифметических или логических операций осуществляется с помощью 4-разрядного кода E$EiEEq. Логические операции над операндами выполняются поразрядно:

где знак «*» — любая двуместная операция алгебры логики (ИЛИ, И, ИЛИ—НЕ, И—НЕ, исключающее ИЛИ и др.).

Помимо операндов на вход АЛУ подается сигнал переноса Со. Результат выполнения операции снимается с выходов в виде функций F, (/ = 0, 1,2,3) для отдельных разрядов. При выполнении арифметических операций АЛУ представляет собой 4-разрядный сумматор с параллельным переносом. Поэтому в АЛУ, как и в сумматоре, имеются выходы переноса С₄, G и Р, используемые для последовательного или параллельного каскадирования 4-разрядных секций.

Рассмотрим функции и принципы построения 4-разрядных АЛУ.

Функции АЛУ. Основой для построения АЛУ служат двоичные сумматоры, для которых полученное в параграфе 13.12 выражение суммы /-го разряда имеет вид.

Для выполнения логических операций и расширения функциональных возможностей сумматора примем следующие меры:

=> путем замены в (1) С, на С, v М создадим условия для блокировки переноса (при М = 1 перенос блокируется);

=> вместо разрядов А, и В, операндов А и В в (1) будем использовать функции.

Принимая в (1) Si = F_h получаем следующее выражение для описания функций АЛУ:

При М= 0 выражение (3) позволяет выявить 16 арифметических операций, а при М= 1 — 16 логических операций, выполняемых АЛУ. Вид выполняемой арифметической и логической операции определяется.

4-разрядным кодом Е$Е₂ЕЕ₀.

Для перехода к операциям над операндами следует в полученных выражениях заменить А_{ на А_у В, на В, С, на СО = ОООСо, 0 на 0000, 1 на 1111,.

а для арифметических операций (Л/ = 0) дополнительно — символ Ф на знак «+» арифметического сложения.

В табл. 1. приведены преобразования исходных выражений (3) и конечные выражения (графы М= 0 и М= 1) для операций F, АЛУ над отдельными разрядами Л, и В, операндов. Для преобразований использовались следующие формулы:

Операции, выполняемые АЛУ над входными операндами, приведены в табл. 2. При описании операций использовались следующие обозначения:

=> А, В — входные 4-разрядные операнды;

=> 0 = 0000, 1= 1111 — 4-разрядные операнды со значениями каждого разряда, равными 0 и 1 соответственно;

=> СО = ОООСо — 4-разрядный операнд, самый младший разряд которого задействован для входного сигнала переноса;

=> знак «+» для операции арифметического сложения операндов;

==> символы v, &, Ф для операций логического сложения, умножения и исключающего ИЛИ операндов;

=> А, В — поразрядное инвертирование операндов Л, В.

Сопоставление табл. 2 с табл. 13.1.2 (параграф 13.1) свидетельствует о том, что АЛУ выполняет все 16 возможных логических операций над двумя переменными, г. е. АЛУ является универсальным устройством с точки зрения выполнения логических операций.

Отметим некоторые особенности арифметических операций. Для расширения функциональных способностей АЛУ:

=> предусмотрена возможность реализации арифметических операций со значениями входного сигнала переноса Со = 0 и Со = 1. При Со = 1 на входе АЛУ появляется дополнительный операнд 0001;

=> большинство арифметических операций совмещено с предварительно выполненными логическими операциями. С этой точки зрения весьма полезной является операция А + В + СО (/ = 6), которая при СО = 0001 позволяет получить разность операндов А — В с представлением результата в дополнительном коде. При А = 0000 и СО = 0001 с помощью этой операции формируется дополнительный код операнда В. Для представления операнда в дополнительном коде можно использовать и другие операции, например, (A v В) + СО (/ = 2);

=> имеется операция сложения двух одинаковых операндов: А + А + СО (/ = 12). При выполнении этой операции производится сдвиг операнда.

Таблица I.

I L’oei оинож1готгос1ц.

А на олин разряд влево (в сторону старших разрядов) с записью в младший разряд значения сигнала входного переноса Со. Указанный сдвиг обусловлен увеличением числа А в два раза, что равносильно операции умножения на 2, а следовательно, для двоичных чисел сдвигу влево на один разряд;

=> имеется операция А + СО (/ = 0), которая при СО = 0001 аналогична операции инкрементации (увеличения на +1), выполняемой счетчиками.