Арифметическо-логические устройства

Арифметическо-логические устройства (АЛУ) – это специализированные микросхемы, выполняющие в соответствии с программой на входах арифметические или логические преобразования двоичной информации (рис. 4.58.). В микропроцессорной технике АЛУ являются базовыми элементами – они используются в сочетании с регистрами памяти и сдвига, оперативными запоминающими устройствами и другими цифровыми узлами. АЛУ, принадлежащие к разным типам логик (ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСТЛ), функционально во многом совпадают, в том числе и по разводке выводов.

Микросхема К1533ИП3 предназначена для действий с двумя четырехразрядными двоичными слоями : А = А₃А₂А₁А₀ и В = В₃В₂В₁В₀. Конкретный вид операции, выполняемой микросхемой, задается 5-разрядным кодом на выходах МS₃S₂S₁S₀. Всего это АЛУ способно выполнить 2⁵ = 32 операции: 16 логических и 16 арифметических и арифметико-логических. 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 и 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 К555ИП4.

Слова А и В, подлежащие обработке, могут быть представлены в положительной либо отрицательной логике. Таблицы истинности для каждого варианта логики различны (табл. 4.13.). Результаты арифметических операций выражены в дополнительном коде. Как отмечалось, числа в дополнительном и обратном коде связаны простым соотношением N_доп = N_обр+ 1 или N_обр = N_доп – 1. Поэтому в тех строках таблицы, где указана операция «минус», 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, является также разрешающим сигналом для переноса между разрядами. Выходной результат формируется с учетом состояния входа переноса. Оба сигнала переноса – входной С и выходной С₄ – инверсные относительно сигналов на входах А и В, т.е. когда слова А и В в положительной логике, сигналу переноса отвечает низкий уровень напряжения на соответствующем выходе, а в отрицательной логике – наоборот.

Если АЛУ выполняет логико-арифметическую операцию, логическая функция реализуется поразрядно, а арифметическая – с переносом. Например, входному коду М S₃ S₂ S₁ S₀ = 01000 отвечает операция А плюс А, где А - логическое умножение двух слов. Если А = 0101 и В = 1011, то первая операция дает А = 0100, сумма 0101 плюс 0100 = 1001.

Выход А = В (вывод 14) – с открытым коллектором, и к источнику питания его следует подключать через внешний резистор 1 кОм. Высокое напряжение на этом выходе А = В будет в том случае, если на выходах F₃ F₀ высокие уровни. Режим компаратора обеспечивается при М = 0 и S₃ S₂ S₁ S₀ = 0110. Когда числа А и В равны, на выходе А = В формируется сигнал высокого уровня. Одновременно сигнал на выходе С₄ (вывод 16) характеризует соотношение между числами А и В и в случае их неравенства согласно таблице 4.14.

Для арифметических действий над словами большей длины АЛУ включают последовательно. Здесь время суммирования определяется задержкой распространения сигнала переноса со входа младшего разряда до входа с последнего АЛУ и составляет t₃₁= 4t₃₁, где t-задержка распространения сигнала пе