Арифметико-логическое устройство (АЛУ; arithmetic and logic unit, ALU) является комбинационной схемой, способной выполнять целый ряд различных арифметических и логических операций с парой n-разрядных операндов. Выполняемая операция определяется комбинацией сигналов на входах выбора функции.

2.1 Классификация АЛУ

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

По способу представления чисел различают АЛУ:

для чисел с фиксированной точкой;

для чисел с плавающей точкой;

для десятичных чисел.

По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные:

В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают затраты оборудования.

В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

По своим функциям АЛУ является операционным блоком, выполняющим микрооперации, обеспечивающие прием из других устройств (например, памяти) операндов, их преобразование и выдачу результатов преобразования в другие устройства (табл. 1).

2.2 Описание АЛУ на языке VHDL

Хотя язык VHDL имеет встроенные операторы сложения (+) и вычитания (-), они работают только с целыми и действительными числами и физическими типами. В частности, они не работают с типами BIT_VECTOR и типом STD_LOGIC_VECTOR стандарта IEEE. Для этих типов в стандартных пакетах определены специальные операторы

Таблица 1 - Список стандартных функций АЛУ

В пакете IEEE_std_logic_arith определены два новых типа массивов - SIGNED и UNSIGNED - и набор функций сравнения для операндов типа INTEGER, SIGNED и UNSIGNED. В данном пакете определены операции сложения и вычитания для операндов тех же типов, а также для 1-разрядных операндов типа STD_LOGIC и STDJJLOGIC.

При большом числе перекрывающихся функций сложения и вычитания не столь очевидно, каким окажется тип результата сложения или вычитания. Если хотя бы один из операндов принадлежит типу SIGNED, то обычно результат будет типа SIGNED, в противном случае результат будет типа UNSIGNED. Но если результирующее значение присваивается сигналу или переменной типа STD_LOGIC_VECTOR, то результат типа SIGNED или UNSIGNED преобразуется к этому типу. Разрядность любого результата обычно равна разрядности самого длинного операнда. Однако, когда операнд типа UNSIGNED участвует в одной операции с операндом типа SIGNED или INTEGER, его разрядность увеличивается на 1 для размещения в нем знакового бита, равного 0, и только после этого устанавливается разрядность результата.

В лист 4.1 приведена VHDL-программа сложения 8-разрядных операндов раз - личного типа, иллюстрирующая эти правила. Первый результат S объявлен как 9-разрядное двоичное число в предположении, что разработчика интересует пере нос, который может возникнуть при сложении 8-разрядных операндов А и В типа UNSIGNED. С помощью оператора конкатенации & операнды А и В расширяются так, чтобы функция сложения помещала бит переноса в старший разряд результата.

арифметический логический логическая схема

3. Ход работы