Структура устройства ALUРассмотрим подробнее ALU. Его структурная схема приведена на рис. 14.2.
Рис. 14.2. Структурная схема ALU
Арифметико-логическое устройство является 16-разрядным устройством с двумя 16-разрядными входными портами данных X и Y и одним выходным портом результата R. ALU генерирует шесть сигналов состояния: ноль (AZ), негатив (AN), перенос (AC), переполнение (AV), знак (AS) и частное (AQ). В конце каждого цикла процессора эти сигналы сохраняются в регистре состояния процессора ASTAT. Описание назначения этих сигналов состояния приведено в табл. 14.1.
Таблица 14.1 Описание назначения сигналов состояния
Сигнал Расшифровка Назначение AZ ZERO (НОЛЬ) Разряд нулевого результата. Устанавливается в 1, если результат операции равен нулю. Является результатом логического сложения всех битов регистра результатов ALU AN NEGATIV (НЕГАТИВ) Знаковый разряд результата ALU. Устанавливается в 1, если результат отрицательный AV OVERFLOW (ПЕРЕПОЛНЕНИЕ) Разряд переполнения. Устанавливается в 1, если происходит переполнение ALU путем переноса 1 в знаковый разряд при сложении чисел AC CARRY (ПЕРЕНОС) Разряд переноса. Устанавливается в 1 при сложении беззнаковых чисел, если происходит переполнение ALU путем переноса 1 из старшего разряда AS SIGN (ЗНАК) Знаковый разряд. Определяется при операции вычисления абсолютного значения числа ABS. Устанавливается в 1, если операнд имеет отрицательное значение AQ QUOTIENT (ЧАСТНОЕ) Разряд состояния частного. Формируется только командами DIVS и DIVQ
Порт ввода X может принимать данные от двух источников: из блока регистров АХ или с шины результата R-BUS. Шина R-BUS обеспечивает обмен данными между всеми вычислительными устройствами. Блок регистров АХ состоит из двух регистров: AX0 и AX1. Эти регистры подключены к шине памяти данных DMD-BUS. Система команд позволяет читать содержимое регистра АХ и на шину памяти программ PMD-BUS, для этого используется устройство обмена между шинами. Выводы регистров AX0 и AX1 реализованы таким образом, чтобы один из них служил операндом для ALU, а другой в это время мог считываться на шину DMD-BUS.
Порт ввода Y также принимает данные от двух источников: из блока регистров AY и регистра обратной связи AF. Блок регистров AY состоит из двух регистров AY0 и AY1. Эти регистры доступны для чтения и записи с шиной DMD-BUS. Система команд процессора позволяет читать регистры AY0 и AY1 с помощью шины PMD-BUS, но также с использованием устройства обмена между шинами. Выводы регистров AY0 и AY1 реализованы аналогично регистрам AX0 и AX1.
Выход ALU подключен к выходному регистру результата AR и через регистр обратной связи AF на вход ALU через мультиплексор. Регистр AF позволяет результату вычисления использоваться в качестве следующего операнда. Регистр AR имеет выход на шину DMD-BUS и R-BUS. В системе команд предусмотрена возможность чтения регистра AR посредством шины PMD-BUS аналогично двум предыдущим вариантам.
Любой из регистров ALU доступен для записи и чтения в течение цикла процессора (для чтения — в начале цикла, и для записи - в конце процессорного цикла). Таким образом, новое значение, записанное в конце одного цикла, может быть прочитано лишь в начале следующего. Это позволяет входным регистрам записать в ALU операнд в начале цикла и считать следующий операнд в конце того же цикла. Это также позволяет сохранить содержимое регистра результата в памяти и оперировать со следующим результатом в одном цикле.
Арифметико-логическое устройство имеет альтернативные (теневые) банки регистров AX, AY, AF и AR. На структурной схеме они изображены в виде теней. В конкретный момент времени доступен только один из типов банков. Дополнительный банк может быть использован для автоматического сохранения данных в регистрах ALU при быстром переключении на выполнение подпрограммы. В этом случае экономится время на сохранение текущих данных в памяти процессора.
Выбор главного или альтернативного банка регистров определяется битом 0 регистра режимов процессора MSTAT. Если этот разряд равен 0, то выбран главный банк, если он равен 1, то выбирается дополнительный банк.
Арифметико-логическое устройство выполняет набор стандартных арифметических и логических операций. Из арифметических операций АЛУ выполняет сложение, вычитание, отрицание, инкремент, декремент и вычисление модуля. Эти операции дополнены двумя примитивами деления, с помощью которых возможна реализация цикла многократного деления. Из логических операций АЛУ выполняет логическое сложение (OR), логическое умножение (AND), исключающее ИЛИ (XOR), и логическое отрицание (NOT). Стандартные операции ALU приведены в табл. 14.2.
Таблица 14.2 Стандартные операции ALU
Операция Назначение R=X+Y Сложение операндов X и Y R=X+Y+CI Сложение операндов X и Y с переносом R=X-Y Вычитание операнда Y из X R=Y-X Вычитание операнда X из Y R=X-Y+CI-1 Вычитание операнда Y из X с заемом R=Y-X+CI-1 Вычитание операнда X из Y с заемом R= -X Инверсия операнда X R= -Y Инверсия операнда Y R=X+1 Инкремент операнда X R=Y+1 Инкремент операнда Y R=X-1 Декремент операнда X R=Y-1 Декремент операнда Y R=PASS X Результат равен операнду X с установкой флагов регистра статуса ASTAT R=PASS Y Результат равен операнду Y с установкой флагов регистра статуса ASTAT R=0 Очистка результата R=ABS X Результат равен абсолютному значению операнда X (значение по модулю) R=X AND Y Логическое умножение операндов X и Y R=X OR Y Логическое сложение операндов X и Y R=X XOR Y Исключающее «ИЛИ» операндов X и Y R=NOT X Логическое отрицание X R=NOT Y Логическое отрицание Y
В качестве условных записей операндов X, Y и R ALU, указанных в табл. 14.2, могут выступать следующие регистры:
- для X: AX0, АХ1, AR, MR0, MR1, MR2, SR0, SR1;
- для Y: AY0, AY1, AF;
- для R: AR и AF.
Регистры MR0, MR1, MR2 принадлежат умножителю MAC, а регистры SR0, SR1 устройству сдвига Shifter. Они доступны ALU по шине данных.
С целью обработки чисел с повышенной точностью, в ALU используются сигнал переноса CI (carry-in) и бит переноса AC (ALU carry). Операция сложения с переносом предназначена для сложения старших частей чисел, а операция вычитания с заемом — для их вычитания.
Регистр AR может работать в режиме насыщения. В этом режиме он принимает максимально возможное отрицательное или положительное значение, если операция заканчивается переполнением. Эта функция регистра AR становится возможной при установке в единицу разряда 3 регистра MSTAT. В табл. 14.3 показано содержимое регистра AR ALU в зависимости от флагов регистра состояния ASTAT при включенном, с помощью регистра MSTAT, режиме насыщения.
Таблица 14.3 Содержимое регистра AR ALU в зависимости от флагов регистра состояния
AV (переполнение) АС (перенос) Содержимое AR 0 0 В соответствии с результатом ALU 0 1 В соответствии с результатом ALU 1 0 0111111111111111 (максимальное положительное число) 1 1 1000000000000000 (минимальное отрицательное число)
Режим блокировки переполнения ALU разрешается при установке в единицу бита 2 регистра MSTAT. В этом режиме при переполнении ALU разряд AV устанавливается в единицу и при последующих операциях остается в этом состоянии. Таким образом, последующее переполнения уже не генерируются. Бит состояния AV можно очистить непосредственно с DMD шины путем записи в регистр состояния ASTAT нуля.
Арифметико-логическое устройство поддерживает операции деления. Деление осуществляется путем сложения и циклического сдвига чисел с помощью двух специальных примитивов деления DIVS и DIVQ. Команда DIVS вычисляет знаковый бит частного, а DIVQ вычисляет один бит частного. Данные команды применяются для деления знаковых или беззнаковых чисел. Алгоритм деления выполняет либо сложение, либо вычитание, основываясь на знаках делителя и частичного остатка. Остаток при этих операциях недоступен. При этом делитель и делимое должны быть одного типа. Обычная точность деления для 32-разрядного делимого, 16-разрядного делителя и 16-разрядного остатка реализуется за 16 циклов. Делитель может быть сохранен в регистре AX0, АХ1 или в любом регистре результатов R. Старший байт знакового делителя должен находиться либо в регистре AY1, либо в AF, а беззнакового делителя — в регистре AF. Младший байт делителя любого типа должен находиться в AY0. Остаток после деления будет записан в регистр AY0.