Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

В курсе цифровые устройства изучается внутреннее устройство двоичных сумматоров, способных осуществить суммирование многоразрядных кодов. Однако кроме операции суммирования часто требуется осуществлять вычитание двоичных кодов. Двоичные коды, при помощи которых можно записывать отрицательные числа уже рассматривались ранее. Там же было показано, что при использовании дополнительных кодов операцию вычитания двух положительных чисел можно заменить операцией суммирования положительного и отрицательного числа, при этом получение отрицательного числа из положительного числа является элементарной операцией. Для этого необходимо проинвертировать число и прибавить к нему 1.

Схема вычитателя числа A из числа B приведена на рисунке 1, а схема вычитателя числа B из числа A приведена на рисунке 2.

Рисунок 1. Схема вычитателя A − B
Схема вычитателя числа B − A

Рисунок 2. Схема вычитателя B − A

В данных схемах инвертирование числа производится блоком логических инверторов, а прибавление единицы производится подачей питания на вход переноса сумматора PI. Если же потребуется в процессе вычислений изменять арифметическую операцию, то в структурную схему вычислительного устройства можно ввести коммутатор (мультиплексор). Такая схема арифметического устройства приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема арифметического устройства.

В приведённой на рисунке 3 схеме используются четырёхвходовые мультиплексоры, для управления каждым из которых достаточно двух бит. То есть для управления всей схемы в целом достаточно четырёх проводов управления. Попытаемся построить таблицу операций, которые будет выполнять арифметико-логическое устройство (АЛУ), схема которого приведена на рисунке 3. На результат операции будет влиять вход переноса сумматора PI, поэтому этот вход тоже включим в состав кода, управляющего схемой АЛУ. Операции, которые выполняются арифметической схемой в зависимости от поданного на управляющие линии кода, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Коды математических операций арифметического устройства

Номер строки	Управляющий код					Выполняемая операция
Номер строки	K0	K1	K2	K3	PI	Выполняемая операция
0	0	0	0	0	0	S = A + B
1	0	0	0	0	1	S = A + B + 1
2	0	0	0	1	0	S = B − A − 1
3	0	0	0	1	1	S = B − A
4	0	0	1	0	0	S = B − 1
5	0	0	1	0	1	S = B
6	0	0	1	1	0	S = B
7	0	0	1	1	1	S = B + 1
8	0	1	0	0	0	S = A − B − 1
9	0	1	0	0	1	S = A − B
10	0	1	0	1	0	S = −A − B − 2
11	0	1	0	1	1	S = −A − B − 1
12	0	1	1	0	0	S = −B − 2
13	0	1	1	0	1	S = −B − 1
14	0	1	1	1	0	S = −B − 1
15	0	1	1	1	1	S = −B
16	1	0	0	0	0	S = A − 1
17	1	0	0	0	1	S = A
18	1	0	0	1	0	S = −A − 2
19	1	0	0	1	1	S = −A − 1
20	1	0	1	0	0	S = −2
21	1	0	1	0	1	S = −1
22	1	0	1	1	0	S = −1
23	1	0	1	1	1	S = 0
24	1	1	0	0	0	S = A
25	1	1	0	0	1	S = A + 1
26	1	1	0	1	0	S = −A − 1
27	1	1	0	1	1	S = −A
28	1	1	1	0	0	S = −1
29	1	1	1	0	1	S = 0
30	1	1	1	1	0	S = 0
31	1	1	1	1	1	S = +1

Проанализируем эту таблицу. Если на все управляющие входы подать низкий потенциал (Управляющий код равен 0000), то к входу сумматора будут подключены коды A и B без инверсии. В этом случае будет производиться операция суммирования. Эта ситуация отображена первыми двумя строками таблицы выполняемых операций. Операция вычитания осуществляется второй, третьей, восьмой и девятой строкой. В этом случае один из операндов поступает на вход сумматора через блок инверторов. Правда для получения дополнительного кода не хватает единицы, но её можно подать на вход переноса сумматора PI. Ещё одной часто используемой операцией является увеличение числа на единицу или уменьшение числа наединицу. Эти операции позволяют легко организовывать циклы в программе и переходить от предыдущего операнда к следующему. Такие операции могут быть выполнены при помощи кодов, записанных в строках четыре, семь, шестнадцать и двадцать пять. Кроме того, схема арифметического устройства может просто передавать на выход любой из входных кодов без изменения, что позволяет осуществлять копирование данных (суммирование с константой ноль) через это устройство без дополнительных схем коммутации.

При небольшом изменении схемы такое устройство может быть преобразовано в схему, которая позволяет осуществлять не только арифметические, но и логические операции. Для этого нужно вести дополнительный коммутатор, который будет разрывать цепи переноса между разрядами. Эта управляющая цепь обычно называется M. Подобная схема реализована в микросхеме АЛУ К155ИП3 (иностранный аналог 74181). Ее внутренняя схема приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема арифметико-логического устройства (АЛУ) К155ИП3

Подчеркнём основную особенность полученного устройства. Арифметико-логические устройства позволяют выбирать вид выполняемой операции при помощи кода, подаваемого на специальные выводы микросхемы. Это позволяет программировать одно и то же устройство для выполнения различных функций. Разработка такого устройства позволило обменивать большую скорость выполнения отдельных операций на сложность реализуемого алгоритма, что, в конце концов, привело к разработке микропроцессорных систем. Развитие этих систем изменило окружающий нас мир.

Вместе со статьей "Арифметико-логическое устройство (АЛУ)" читают: