Арифметико-логические устройства

Лабораторная работа №6

по курсу: «Цифровые устройства и микропроцессоры»

на тему: «Исследование арифметико-логического устройства»

Саранск 2009

Лабораторная работа №6

Исследование арифметико-логического устройства

Цель работы: исследовать арифметико-логические устройства и изучить принцип их работы.

Краткие теоретические сведения

Арифметико-логические устройства.

Интересными свойствами обладают специализированные микросхемы, выполняющие в соответствии с программой на входах арифметические и логические преобразования двоичной информации. Эти микросхемы так и называются - арифметико-логическими устройствами (АЛУ). По сравнению с приборами, работающими по жесткой, наперед заданной программе, АЛУ представляют собой устройства более высокого класса. В микропроцессорной технике АЛУ являются базовыми элементами. Они пользуются в сочетании с регистрами сдвига, оперативными запоминающими устройствами и другими узлам.

Рис 1. Условное обозначение микросхемы К155ИП3.

АЛУ дороже простых микросхем, однако, благодаря универсальным свойствам, применение их в аппаратуре во многих случаях оказывается оправданным. АЛУ, принадлежащие к разным видам логик, в частности к ТТЛ - типа К155ИПЗ и КМОП - типа 564ИП3 функционально во многом совпадают, в том числе и по разводке выводов, поэтому описание будет идти применительно к одному типу— К155ИПЗ.

Микросхема К155ИП3 предназначена для действий с двумя четырехразрядными двоичными словами: А=А₃А₂А₁А₀ и В=В₃В₂В₁В₀, как представлено на рисунке 1. Конкретный вид операции, выполняемой микросхемой, задается пятиразрядным кодом на входах MS₃S₂S₁S₀. Всего это АЛУ способно выполнить 2⁵=32 операций: 16 логических (И, И –НЕ,ИЛИ, ИЛИ – НЕ, исключающее ИЛИ и др.) и 16 арифметических и арифметико–логических (сложение, вычитание, удвоение, сравнение чисел и ряд иных). Операции сложения и вычитания проводятся с ускоренным переносом из разряда в разряд. Кроме того, имеется вход приема сигнала переноса С.

На выходах F₀,F₁, F₂, F₃ формируются результаты логических преобразований и арифметических действий. На выходе переноса С₄ образуется сигнал старшего (пятого) разряда при выполнении арифметических операций. Дополнительные выходы – образования ускоренного переноса G и распространения ускоренного переноса Р – используются только при организации многоразрядных АЛУ в случае их сочетания с блоком ускоренного переноса К155ИП4 ( или 564ИП4 для микросхем КМОП).

Слова А и В, подлежащие обработке, могут быть представлены в положительной или отрицательной логике. Таблицы истинности для каждого варианта логики различны (таблица 1). Во избежание путаницы уровни сигналов обозначены в них буквенными символами. Результаты арифметических операций выражены в дополнительном коде. Как отмечалось, числа в дополнительном и обратном кодах связаны простым соотношением: N_доп=N_обр+1 или N_обр=N_доп-1. Поэтому в тех строках таблицы 1, где указана операция «минус 1», результат арифметических действий представлен в обратном коде.

Старший разряд кода выбора операции ( вход М) определяет характер действий, выполняемых АЛУ. Когда на этом входе сигнал высокого уровня, АЛУ производит логические операции поразрядно над каждой парой бит слов А и В. Внутренний перенос в этом режиме бездействует.

Арифметические операции выполняются, когда на входе М установлен низкий потенциал, который является также разрешающим сигналом для переноса между разрядами. Выходной результат формируется с учетом состояния входа переноса. Оба сигнала переноса – входной С и выходной С₄ – инверсны относительно сигналов на входах А и В, т.е. когда слова А и В – в положительной логике, сигнал переноса отвечает низкий уровень напряжения на соответствующем выводе, а в отрицательной логике – наоборот.

Таблица 1. Функциональная зависимость выходов