Как все мы знаем из школьного курса информатики, в основе любого CPU лежит четыре основные составляющие: арифметико-логического устройства или сокращенно АЛУ, модуля ввода-вывода, а также блока управления и памяти.

Эта архитектура была разработана величайшим математиком всех времен и народов Джоном фон Найманом и легла в основу первого созданного центрального процессора. С тех пор CPU претерпел множество доработок и модернизаций, однако, базовый принцип его построения остался нетронутым.

Определение

АЛУ — это один из узлов ЦП, который отвечает за реализацию всех логических и арифметических преобразований различных уровней сложности, которые протекают в электронно-вычислительной машине. В качестве выполняемых операций используются операнды, длина которых соответствует длине слова или его размеру.

Главным предназначением этого узла является обработка данных, которые находятся в оперативно запоминающем устройстве компьютера. Помимо этого, АЛУ генерирует управляющие сигналы, которые являются для электронно-вычислительной машины своего рода инструкциями, указывающими что необходимо делать с определенным набором данных. Каждая из операций, происходящих в процессоре, выполняется при помощи электронных схем, которые могут состоять из нескольких тысяч электронных элементов, установленных очень плотно друг к другу.

Поступающие на вход АЛУ электронные сигналы генерируют определенный тип обработки данных, выраженных в двоичной системе исчисления. Всего существует четыре разновидности заданных типов действий, которыми способен работать этот узел центрального процессора. Таким образом, количество базовых операций является основной характеристикой этого узла процессора.

В свою очередь, для выполнения определенной операции с данными, в АЛУ реализовано четыре элемента, на каждый из которых возложено выполнение определенных задач: управление, передача, хранение и преобразование данных, поступающих на вход узла из оперативной памяти.

Узлы хранения

К этой составляющей относятся следующие электронные элементы:
— триггеры, отвечающие за хранение вспомогательных данных и конечных результатов, необходимых для выполнения различных процессов;
— регистры, основным предназначением которых является сохранение целостной структуры аргументов операций промежуточных и конечных результатов.
В некоторых случаях совокупность регистров может выступать в качестве блока памяти, а триггеры — в качестве общего регистра состояния.

Узлы передачи

Составляющей этого узла центрального процессора являются:
— шины, отвечающие за объединение блоков АЛУ и их обоюдное взаимодействие;
— мультиплексоры и вентили, благодаря которым задается нужное направление выполняемых преобразований.

Узлы преобразования

Элементами этого узла выступают:

— сумматоры, отвечающие за выполнение микроопераций;
— сдвигатели;
— схемы выполнения логических операций;
— корректоры для десятичной арифметики;
— преобразователи кода, которые принимают участие в операциях с обратными и дополнительными данными, которые могут потребоваться в процессе преобразования;
— счетчики, осуществляющие подсчет завершенных циклов преобразования данных.

Узлы управления

Основными элементами узла управления являются:

— контрольный блок;
— дешифратор сигналов;
— схемы преобразования логических признаков, которые формируют ветви выполнения заданных команд.

Принцип работы

В процессе работы CPU, в рассматриваемом нами узле создаются электронные сигналы, подаваемые на другие узлы ЦП строго в определенной последовательности, которые необходимы для выполнения поставленной задачи. Этот процесс осуществляется поэтапно и состоит из нескольких тактов.
Управляющее устройство отвечает за выполнение программ в автоматическом режиме, однако, в процессе его работы могут применяться прерывания, необходимые для вовлечения в работу прочих узлов процессора. Работа устройства управления возможно благодаря основному принципу микропрограммирования, который обладает определенным набором характеристик.

Разновидности арифметико-логического устройства

В зависимости от принципа работы и метода обработки массивов данных АЛУ можно разделить на две категории: последовательные и параллельные. Эти категории различаются методами представления элементов операций и их реализации.

Помимо этого, существует еще классификация АЛУ по характеру использования, в которой этот узел подразделяется на блочные и многофункциональные. Для первого типа характерно распределение данных по однотипным блокам и последующее их выполнение. В процессе работы второго типа для обработки данных задействуются все имеющиеся микросхемы, которые, в свою очередь, могут приспосабливаться под различные типы данных. За обработку различных видов данных отвечают определенные микросхемы.

При этом высокая скорость работы АЛУ достигается благодаря тому, что все задачи выполняются в параллельном режиме, что обеспечивает их многозадачность, однако, такой принцип работы сопровождается и большим энергопотреблением. По способу представления данных, АЛУ могут использоваться для работы с десятичными числами, а также числами, использующими плавающую или фиксированную запятую.

Арифметические операции и логические процедуры

Все процессы, происходящие в узле арифметико-логических преобразований, можно подразделить на несколько категорий. Арифметические операции представляют собой основные математические операции такие как деление, умножение, вычитание модулей, обычное вычитание и сложение.
Для категории логических преобразований характерны операции конъюнкции, которые сопоставимы с союзом «и», дизъюнкции — сопоставимой с логической операций, смысл которой приближен к союзу «или», а также операции сравнения различных данных на предмет равенства. Чаще всего в логических преобразованиях используются двоичные слова, в состав которых входят множественные разряды.

Любую операцию, происходящую в АЛУ, можно представить в виде строгой последовательности логических функций, выраженных при помощи многоразрядной электронно-вычислительной логики. Например, для двоичных электронно-вычислительных систем применяется и аналогичный тип логики и так до десятичной системы.

В любом преобразовании данных, происходящем в арифметико-логическом устройстве, присутствуют свои аргументы операции, а конечные результаты обработки данных выражаются в виде шестнадцатиразрядных битовых строк. Обработанные во время преобразования данные, выражаются в цифровом виде со знаком плюс или минус, в зависимости от наличия переполнения, при помощи специальных флагов, которые используются при непредсказуемых изменениях знака, который выражается в виде отдельного бита. Логика переноса бита между системами различных разрядов происходит по принципу беззнаковой арифметики. Таким образом, система присваивает знак плюс в том случае, если обрабатываемые данные в старшем разряде не могут быть выражены конечным результатом в младшем разряде.