Статья посвящена описанию процесса проектирования и разработки четырехразрядного арифметико-логического устройства с восьмеричной коррекцией.
Ключевые слова: АЛУ, архитектура, центральный процессор, логические элементы, микросхема, 4028cb, сумматор, ni multisim.
Введение
Одним из основных блоков процессора ЭВМ является АЛУ. АЛУ служит для выполнения арифметических и логических преобразований данных.
Арифметико-логическое устройство в зависимости от выполнения функций можно разделить на две части:
— микропрограммное устройство (устройство управления), задающие последовательность микрокоманд (команд);
— операционное устройство (АЛУ), в котором реализуется заданная последовательность микрокоманд (команд).
Арифметико-логическое устройство
Арифметико-логическое устройство — блок процессора, который под управлением устройства управления служит для выполнения арифметических и логических преобразований (начиная от элементарных) над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером или длиной машинного слова.
Концепция арифметико-логического устройства предложена в 1945 году Джоном фон Нейманом в публикации по EDVAC; она стала одной из составляющих ставшей классической фон-неймановской компьютерной архитектуры.
Восьмеричная коррекция
Используемая для восьмеричной коррекции микросхема 4028BD является аналогом микросхем К561ИД1 и К176ИД1. Рассмотрим работу этих микросхем.
Микросхемы К561ИД1 и К176ИД1 (CD4028A, CD4028) ― универсальный дешифратор. Дешифраторы К561ИД1, К176ИД1 (CD4028A, CD4028) применяется для преобразования входного четырехразрядного двоично-десятичного кода в десятичный или четырехразрядного двоичного в октальный.
Дешифраторы К561ИД1, К176ИД1 (CD4028A, CD4028), на рисунке 1 имеют десять выходов (при октальном, восьмеричном коде используются восемь выходов), а также четыре входа А ― D (для получения остального кода необходимы только три входа А ― С). Вход D, если на нём напряжение высокого уровня, используется как запрещающий при остальном преобразовании. Если вход D не используется, то на него следует подать ноль напряжения.
Рис. 1. К561ИД1, К176ИД1 (CD4028A, CD4028)
Разработка четырехразрядного АЛУ с восьмеричной коррекцией
Для построения четырехразрядного АЛУ соединим четыре одноразрядных АЛУ последовательно.
Каждый выход переноса соединяем со следующим входом переноса.
В результате получим 4-разрядное АЛУ, представленное на рисунке 2.
Рис. 2. 4-х разрядное АЛУ
Восьмеричное представление
На рисунке 3 представлена готовая схема 4-разрядного АЛУ с восьмеричной коррекцией и набором цифровых индикаторов для визуального представления.
Рис. 3. 4-разрядное АЛУ с восьмеричным представлением
Результаты работы схемы
В генераторе слов необходимо установить ряд значений, отвечающих за входные данные: операцию и операнды А и В.
На рисунке 4 можно видеть, что установлено восемь цифровых слов, отвечающих за выполнение каждой операции на двух парах цифр: 2 (0010) и 3 (0011), 5 (0101) и 1 (0001).
Рис. 4. Экспериментальные данные
На рисунке 5 представлена работа схемы при отсутствии сигналов.
Рис. 5. Отсутствие сигналов
На рисунках 6 и 7 представлены результаты выполнения операций арифметического сложения, ИЛИ.
Рис. 6. А + В
Рис. 7. А ИЛИ В
Поскольку при операции инверсии может получиться цифра вне восьмеричного диапазона, то восьмеричное представление представляется как нулевое значение (рисунок 8).
Рис. 8. Результат НЕ В вне диапазона восьмеричного представления
Полный набор данных и результатов представлен в таблице 1.
Таблица 1
Результаты испытаний
|
Операнд |
Операция |
Результат |
Восьмеричное представление |
|
|
А |
В |
|||
|
0010 |
0011 |
00 |
0010 |
00000100 |
|
0010 |
0011 |
01 |
0011 |
00001000 |
|
0010 |
0011 |
10 |
1101 |
00000000 |
|
0010 |
0011 |
11 |
0101 |
00100000 |
|
0101 |
0001 |
00 |
0001 |
00000010 |
|
0101 |
0001 |
01 |
0101 |
00100000 |
|
0101 |
0001 |
10 |
1010 |
00000000 |
|
0101 |
0001 |
11 |
0110 |
01000000 |
Расчет мощности и надежности
Потребляемая мощность разрабатываемого устройства будет равна сумме мощностей, потребляемых его элементами. Значения потребляемой мощности на основе справочных данных для каждого элемента определяем по формуле
В 4-разрядном АЛУ 46 элементов, указанных в таблице 2.
Таблица 2
Количество используемых элементов
|
Элемент |
Мощность |
Количество элементов |
|
И |
0.038 |
24 |
|
ИЛИ |
0.038 |
8 |
|
НЕ |
0.017 |
9 |
|
Сумматор |
1.05 |
4 |
|
4028СВ |
1.082 |
1 |
Надежность ― свойство объекта или технического устройства выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей.
Расчет надежности интегральной микросхемы заключается в определении среднего времени наработки до отказа.
Среднее время наработки до отказа считаем по формуле:
В таблице 3 указаны средние значения отказа.
Таблица 3
Интенсивность отказа
|
Элемент |
Время отказа,
|
Количество элементов |
|
И |
0.023 |
24 |
|
ИЛИ |
0.023 |
8 |
|
НЕ |
0.023 |
9 |
|
Сумматор |
0.023 |
4 |
|
4028СВ |
0.021 |
1 |
Рассчитываем среднее время наработки схемы до отказа
Получаем 946969 часов. Из произведенных расчетов можно сделать вывод о высокой надежности.
Заключение
В результате работы спроектирован и разработан четырехразрядное арифметико-логического устройство с восьмеричной коррекцией. Мощность устройства равна 6.651 Вт, среднее время наработки 946969 часов.
Литература:
- ЭВМ и периферийные устройства: Учебное пособие / А. Н. Сычев — 2017. 131 с.
- Математические и логические основы электронно-вычислительной техники / О. В. Подгорнова. — М.: Академия, 2013.
- Архитектура компьютера. 6-ое изд. / Таненбаум Э., Остин Т. — СПб.: Питер, 2013. — 816 с.
- Микросхемы К561ИД1 К176ИД1(CD4028A, CD4028) [Электронный ресурс] ― https://www.microshemca.ru/M.K561ID1/
