16. Арифметикалық – логикалық құрылғы
Қажеттілігі: Арифметикалық-логикалық құрылғы кез-келген автомат қондырғылардың және есептеу техникасының процессорларының негізгі және шешуші бөлігі болып табылады. Ол өңдеуге арналған мағлұматтармен арифметикалық және логикалық амалдардың барлық түрін орындайды. Сондықтан бұл құрылғының жұмыс істеу және құрылу принципін білудің әрбір маман үшін маңызы орасан зор.
Жұмыстың мақсаты: екілік санақ жүйесіндегі сандармен арифметикалық және логикалық амалдарды К155ИП3 интегралды микросхемасының негізінде құрылған арифметикалық- логикалық құрылғымен орындау әдісін меңгеру.
Студент білуі тиіс:
Арифметикалық-логикалық құрылғының қызметі мен қолданылуын;
Кезекпен және параллель жұмыс істейтін көп разрядты қосуыштардың құрылу және жұмыс істеу принципін;
Арифметикалық азайту амалын арифметикалық қосу амалымен алмастыру әдісін;
Екілік сандардың таңбалық разрядының қызметін;
Арифметикалық - логикалық құрылғыны басқару принципін;
Ондық санақ жүйесіндегі сандарды таңбалық разрядты тағайындай отырып, екілік санақ жүйесіне тасымалдау әдістерін;
Екілік санақ жүйесіндегі сандарды тура, инверсті және қосалқы кодпен өрнектеуді;
Тура, инверсті және қосалқы кодпен берілген сандармен арифметикалық амалдарды орындауды.
Студент меңгеруі тиіс:
Ондық сандарды тура кодпен екілік сандарға тасымалдауды;
Екілік сандардың таңбалық разрядтарының мағынасын анықтауды;
Тура кодпен берілген екілік сандарды кері кодқа тасымалдауды;
Екілік сандардың қосалқы кодын ұйымдастыруды;
Тура, инверсті және қосалқы кодпен берілген сандармен арифметикалық амалдарды орындауды;
Арифметикалық – логикалық құрылғылардың қолдану аясы мен функционалдық мүмкіндіктерін анықтауды;
Арифметикалық – логикалық құрылғының көмегімен операндалар мен арифметикалық амалдарды орындауды;
Арифметикалық амалдарды орындау барысында арифметикалық-логикалық құрылғының орындау жылдамдығын анықтауды.
Жұмыстың қысқаша мазмұны
Арифметикалық
- логикалық құрылғы (АЛҚ)- кірісіндегі
А және В екілік сандармен әртүрлі
логикалық және арифметикалық амалдарды
орындауға арналған көп салалы электрондық
құрылғы. АЛҚ-ның басты түйініне көп
разрядты қосуыш жатады. Сандарды АЛҚ-ға
енгізу-шығару жолдарына байланысты,
көп разрядты қосуыштар кезекпен
және
параллель
орындаушы болып бөлінеді. Амалды кезекпен
орындаушы қосуыш бір санды екінші санмен
қосу амалын төменгі разрядтан бастап
жоғарғы разрядқа кезекпен ауысу арқылы
орындайды. Мұндай қосуыштың үш кірісі
болады. Амалды орындау барысында
туындайтын тасымал
келесі разрядқа ауысар алдында аз
мерзімге кешіктіріліп, қосуыштың
кірісіне кезекті разрядтағы сандармен
қатар бірге жеткізіледі. Яғни, әрбір
сан осылай разряд бойынша кезекпен
қосу амалына қатынасады. Амалды кезекпен
орындаушы қосуыштың схемасы қарапайым
болғанымен, амалды орындау мерзімі
ұзақ.
Амалды
орындау жылдамдығын параллель қосуышты
пайдалану арқылы қысқартуға болады.
Мұндай қосуыштың кірісіне амалға
қатынасушы операндалар барлық разряд
бойынша бір мезгілде келтіріледі. Сол
үшін әрбір разрядтағы сандарды өзара
қосуға арналған үш кірісі бар, құрама
толық қосуыш қолданылады. Әрбір толық
қосуыш өзіне тиесілі қосынды
мен жоғарғы разрядқа ауысатын
тасымалды бірге өндіреді. Тасымалдарды
тарату нәтижесінде әрбір разрядтағы
қосындының нақты мәні белгілі болып
отырады.
Алдымызда таңбалары әртүрлі болып келетін кез-келген екі санды өзара қосып үйрену міндеті тұр. Оны орындау барысында азайту амалын оң және теріс санды қосу амалымен алмастыру әдісіне жүгінеміз:
Бірақ
бұл жерде санның алдындағы теріс таңба
туралы мағлұматты қалай жеткізу
керек?-деген сұрақ туындайды. Сол үшін
арнайы таңбалық разряд енгізіледі.
Таңбалық разряд негізгі санның
разрядтарының сол жақ алдына
орналастырылады. Егер негізгі сан оң
(+) мәнді болса, таңбалық разряд 0 (нольдік)
шаманы, теріс (-) мәнді болса, 1 (бірлік)
шаманы иемденеді. Пайдалануға ыңғайлы,
көрнекі болу үшін таңбалық разрядты
негізгі саннан жылжымайтын нүкте арқылы
ажыратуға болады. Бірақ қандай жағдайда
болмасын, таңбалық разряд негізгі санның
разрядтарымен қатар арифметикалық
амалдарды орындауға тікелей қатынасады,
яғни осы разрядқа тасымал келтіріліп,
одан тасымал шығарылуы әрқашанда мүмкін.
Қосу амалын орындаудан бұрын АЛҚ-ның
басқару құрылғысы амалға қатынасушы
операндаларға тексеру жүргізіп, олардың
таңбаларын анықтайды. Егер сан оң мәнді
болса, қосуышқа ол тура кодпен, теріс
мәнді болса, инверсті кодпен жеткізіледі.
Қосу амалын орындау барысында таңбалық
разряд Z «ноль» немесе «бірлік» шамаларды
иемденуі ықтимал. Сонымен қатар осы
разрядтан тасымалдың туындауы да
,тіпті болмауы да
мүмкін. Қорыта келе төмендегі төрт
жағдайдың орын алуы мүмкін:
1. Z=0; P=0; 3. Z=0; P=1;
2. Z=1; P=0; 4. Z=1; P=1.
Қосу нәтижесі, яғни қосынды сол үшін арналған регистрге жазылып сақталады. Бірінші жағдайда (Z=0; P=0) қосынды регистрге таңбалық разрядпен бірге тура кодпен енгізіледі. Екінші жағдайда (Z=1; P=0) қосынды регистрге инверсті кодпен орналастырылады. Үшінші жағдайда (Z=0; P=1) таңбалық разрядтан туындайтын тасымал қосындының кіші разрядымен қосылып, жаңа санды құрайды. Жаңа сан таңбалық разрядымен бірге регистрге тура кодпен сақталады. Соңғы, төртінші жағдайда (Z=1; P=1) таңбалық разрядтан шыққан тасымал қосындының төменгі разрядына тасымалданып, нәтижесінде пайда болған жаңа сан регистрге инверсті кодпен сақталады. Айтылғандарды мысалдармен талдап көрейік.
Берілген екі санды Х10 = +3; У10 = +6 өзара қосу қажет болсын. Бұл сандар оң таңбалы болғандықтан, оперативті жадының регистрінде Х=0.00011;У=0.00110 түрінде тура кодпен сақталады. Басқару құрылғысы операндалардың таңбалық разрядтарына талдау жүргізіп, бұл сандарды қосуышқа тура кодпен жібереді. Арифметикалық қосу амалын орындау барысында
қосындының
тасымалсыз оң таңбалы сан екендігі
анықталады. Сондықтан бұл жолы қосу
нәтижесі, жоғарыдағы төрт варианттың
біріншісіне сәйкес, қосынды сақталатын
регистрге тікелей кодпен жазылады және
екендігіне көз жеткізу қиын емес.
Келесі X=+3;Y=-6сандарын қосу қажет болсын. Олар машинаның оперативті жадысына тура кодпен енгізілді:
;
.
Басқару құрылғысы амалға қатынасатын бұл сандарды талдау барысында, қосуышқа оларды келесі түрде жібереді:
;
Қосу барысында 0,00011
+ 1,11001
1,11100
тасымалсыз,
теріс мәнді сан шығады. Бұл жоғарыда
төрт жағдайдың екіншісіне (Z=1;
P=0) сәйкес келеді. Қосынды
регистрге инверсті кодпен 1,00011
түрінде сақталады, яғни
.
Берілген
сандарын қосу қажет болсын. Бұл сандар
машинаның оперативті жадысына
;
түрінде тура кодпен енгізіледі. Талдаудан
өткен кезде олар қосуышқа инверсті
кодпен жеткізіледі:
=
;
=
.
Қосу амалын орындау барысында:
1.11100
+
1.11001
1.10101
1
1.10110
саны
өндіріледі және қосу нәтижесінің
4-жағдайға сәйкес
тасымалы
бар теріс сан екендігі байқалады. Бұл
сан регистрге инверсті кодпен S=1.010012=-
910
сақталады.
Осындай амалдарды орындауға арналған арифметикалық-логикалық құрылғының блок-схемасы 1- суретте келтірілген.
Бұл жұмыста К155ИП3 текті интегралды микросхемасымен құрылған арифметикалық-логикалық құрылғының жұмысы талданады (2-сурет). Осы АЛҚ-ның шартты белгісі бойынша оның келесі функционалдық ерекшеліктерін атап өтуге болады:
A1÷A4 - төрт разрядты Ai операндасы келтірілетін кіру тізбектері;
B1÷B4 - төртразрядты Bi операндасы келтірілетін кіру тізбектері;
S0÷S3- орындалатын функцияларды енгізуге арналған тізбектер;
1-сурет. Арифметикалық-логикалық құрылғының
блок-схемасы.
Мұндағы: ОЖҚ-оперативті жадылық құрылғы;
-
және
операндалары
орналасатын
регистрлер;
-
көп разрядты қосуыш;
-
қосынды
сақталатын регистр;
БҚ- басқару құрылғысы.
P- разрядтарының саны төртеуден артық болатын сандармен амалдар орындау кезінде қолданылатын «тасымал» кірісі;
M – арифметикалық-логикалық құрылғының жұмыс режимін тағайындауға арналған кіру тізбегі; М=0 болған жағдайда- арифметикалық амалдар, М=1 болғанда логикалық амалдар орындалады;
F1÷F4- орындау нәтижесін өндіруге арналған информациялық шығу тізбектері;
CR- жоғарғы разрядқа ауысатын тасымалды өндіру тізбегі.
1 және 2 кестелерде осы АЛҚ-ның көмегімен орындалатын арифметикалық және логикалық амалдар туралы қажетті мағлұматтар келтірілген.
Бұл микросхеманы разрядтарының саны төрттен еселі түрде артық болып келетін АЛҚ-ды жинау үшін де қолдануға болады.
Ескерту:
1) 2- кестедегі (x) символы «0» немесе «1» мәндерінің кез-келгені дегенді білдіреді;
2)
2- кестедегі
символы mod2- екілік модульмен қосу
қажеттігін сипаттайды (0+0=0; 0+1=1; 1+1=0).
1 – кесте. АЛҚ-ның арифметикалық амалдарды орындау режиміндегі ақиқат кестесі.
-
п.п.
Арифметикалық амалдар
М
Р
S3
S2
S1
S0
Амалдар
1
0
0
0
0
0
0
А+1
2
0
1
0
0
0
0
А
3
0
0
0
0
1
1
0000
4
0
1
0
0
1
1
1111
5
0
0
0
1
1
0
А-В
6
0
1
0
1
1
0
А-В-1
7
0
0
1
0
0
1
А+В+1
8
0
1
1
0
0
1
А+В
9
0
0
1
1
0
0
А+А+1
10
0
1
1
1
0
0
А+А
11
0
0
1
1
1
1
А
12
0
1
1
1
1
1
А-1
2– кесте. АЛҚ-ның логикалық амалдарды
орындау режиміндегі ақиқат кестесі.
|
п.п. |
Логикалық функциялар | ||||||
|
М |
Р |
S3 |
S2 |
S1 |
S0 |
Амалдар | |
|
1 |
1 |
х |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
2 |
1 |
х |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
3 |
1 |
х |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
4 |
1 |
х |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
5 |
1 |
х |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
6 |
1 |
х |
0 |
1 |
0 |
1 |
|
|
7 |
1 |
х |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
|
8 |
1 |
х |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
|
9 |
1 |
х |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
10 |
1 |
х |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
11 |
1 |
х |
1 |
0 |
1 |
0 |
В |
|
12 |
1 |
х |
1 |
0 |
1 |
1 |
АВ |
|
13 |
1 |
х |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
14 |
1 |
х |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
|
15 |
1 |
х |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
|
16 |
1 |
х |
1 |
1 |
1 |
1 |
А |
