АРИФМЕТИ́ЧЕСКОЕ УСТРО́ЙСТВО

АРИФМЕТИ́ЧЕСКОЕ УСТРО́ЙСТВО (АУ), од­но из осн. устройств ЭВМ, вхо­дя­щее в со­став про­цес­со­ра, в ко­то­ром вы­пол­ня­ют­ся ариф­ме­тич. и ло­гич. опе­ра­ции, т. е. про­ис­хо­дит соб­ст­вен­но пре­об­ра­зо­ва­ние ин­фор­ма­ции. Раз­ли­ча­ют АУ уни­вер­саль­ные и спе­циа­ли­зи­ро­ван­ные. Уни­вер­саль­ное АУ вы­пол­ня­ет та­кие опе­ра­ции, как сло­же­ние, вы­чи­та­ние, срав­не­ние, пре­об­ра­зо­ва­ние, ум­но­же­ние, де­ле­ние, вы­чис­ле­ние квад­рат­но­го кор­ня, сдвиг и др., пре­ду­смот­рен­ные сис­те­мой ко­манд ЭВМ. Про­стей­ший вид уни­вер­саль­но­го АУ – ариф­ме­ти­ко-ло­ги­че­ское уст­рой­ст­во (АЛУ). Оно об­ра­ба­ты­ва­ет чис­ла с фик­си­ро­ван­ной за­пя­той (це­лые чис­ла), вы­пол­ня­ет опе­ра­ции сло­же­ния, вы­чи­та­ния, сдви­га и ло­гич. опе­ра­ции. Спе­циа­ли­зир. АУ вы­пол­ня­ет груп­пу близ­ких по ал­го­рит­му опе­ра­ций. Так, уст­рой­ст­во сло­же­ния реа­ли­зу­ет опе­ра­ции сло­же­ния, вы­чи­та­ния, срав­не­ния и пре­об­ра­зо­ва­ния ти­пов и фор­ма­тов дан­ных; уст­рой­ст­во де­ле­ния – де­ле­ние и вы­чис­ле­ние квад­рат­но­го кор­ня. Уни­вер­саль­ное АУ име­ет мень­ший объ­ём обо­ру­до­ва­ния, чем неск. спе­циа­ли­зи­ро­ван­ных, со­вме­ст­но вы­пол­няю­щих та­кие же функ­ции. Пре­иму­ще­ст­вом спе­циа­ли­зир. АУ яв­ля­ет­ся мень­шее вре­мя вы­пол­не­ния опе­ра­ции. В со­став АУ вхо­дят ре­ги­ст­ры, сум­ма­то­ры, ком­му­та­то­ры, сдви­га­те­ли, ко­ди­ров­щи­ки при­ори­те­тов, де­шиф­ра­то­ры и др. уз­лы. Ре­ги­ст­ры пред­на­зна­че­ны для врем. хра­не­ния ин­фор­ма­ции, а сум­ма­то­ры, сдви­га­те­ли и др. – для пре­об­ра­зо­ва­ния ин­фор­ма­ции. Ско­рость ра­бо­ты этих уз­лов, осо­бен­но сум­ма­то­ра, в зна­чит. сте­пе­ни оп­ре­де­ля­ет бы­ст­ро­дей­ст­вие АУ. Для ра­бо­ты АУ не­об­хо­ди­мо по­лу­чить код опе­ра­ции и опе­ран­ды (чис­ла, над ко­то­ры­ми вы­пол­ня­ет­ся опе­ра­ция). В вы­чис­лит. ма­ши­нах су­ще­ст­ву­ют две фор­мы пред­став­ле­ния чи­сел: с фик­си­ро­ван­ной за­пя­той (пре­им. для це­лых чи­сел) и с пла­ваю­щей за­пя­той. Для пред­став­ле­ния це­лых чи­сел в ЭВМ обыч­но при­ме­ня­ют 8-, 16-, 32- и 64-раз­ряд­ные фор­ма­ты, а для ве­ще­ст­вен­ных – 32-, 64-, 80- и 128-раз­ряд­ные.

Осн. ха­рак­те­ри­сти­ки АУ: тип об­ра­ба­ты­вае­мых опе­ран­дов и их фор­мат, вре­мя вы­пол­не­ния опе­ра­ций, про­пу­ск­ная спо­соб­ность. Вре­мя вы­пол­не­ния опе­ра­ций сло­же­ния, вы­чи­та­ния и срав­не­ния це­лых чи­сел, ло­гич. опе­ра­ций и опе­ра­ций сдви­га обыч­но со­от­вет­ст­ву­ет 1 так­ту (в са­мых бы­ст­рых совр. ЭВМ со­став­ля­ет 2·10^–9–2·10^–10 с). Для чи­сел с пла­ваю­щей за­пя­той 64-раз­ряд­но­го фор­ма­та сло­же­ние за­ни­ма­ет 2–4 так­та, ум­но­жение 2–5 так­тов, а де­ле­ние от 9 до 60 так­тов. Про­пу­ск­ная спо­соб­ность оп­ре­де­ля­ет­ся тем, че­рез сколь­ко так­тов по­сле на­ча­ла опе­ра­ции уст­рой­ст­во мо­жет на­чать вы­пол­не­ние сле­дую­щей опе­ра­ции. АУ, ко­то­рое ор­га­ни­зо­ва­но по прин­ци­пу кон­вей­е­ра (см. Про­цес­сор

), спо­соб­но ка­ж­дый такт за­пус­кать но­вую опе­ра­цию, что обес­пе­чи­ва­ет боль­шую про­из­во­ди­тель­ность ЭВМ. Для по­вы­ше­ния ско­рости ра­бо­ты АУ ис­поль­зу­ют бо­лее бы­ст­ро­дей­ст­вую­щую эле­мент­ную ба­зу, раз­ра­ба­ты­ва­ют но­вые ал­го­рит­мы ра­бо­ты уст­рой­ст­ва, рас­ши­ря­ют сис­те­му ко­манд. Ис­поль­зо­ва­ние в ЭВМ неск. спе­циа­ли­зир. АУ по­зво­ля­ет вы­пол­нять од­но­вре­мен­но неск. ариф­ме­тич. опе­ра­ций, что су­ще­ст­вен­но уве­ли­чи­ва­ет про­из­во­ди­тель­ность ЭВМ.

На­чи­ная с 1990-х гг. по­лу­чи­ло рас­про­стра­не­ние АУ, со­вме­щаю­щее ум­но­же­ние чи­сел с пла­ваю­щей за­пя­той со сло­же­нием (А × В + С). В та­ких АУ вре­мя вы­пол­не­ния слож­ной опе­ра­ции мень­ше сум­мы вре­мён ум­но­же­ния и сло­же­ния. При этом эко­но­мит­ся обо­ру­до­ва­ние и умень­ша­ет­ся ошиб­ка ок­руг­ле­ния, т. к. ок­руг­ле­ние про­из­во­дит­ся толь­ко один раз. Эти уст­рой­ст­ва по­зво­ля­ют де­лить и из­вле­кать квад­рат­ный ко­рень по ме­то­ду Нью­то­на – Раф­со­на и вы­чис­лять не­ко­то­рые транс­цен­дент­ные функ­ции в ЭВМ, в ко­то­рой от­сут­ст­ву­ет уст­рой­ст­во де­ле­ния. В это же вре­мя поя­ви­лись муль­ти­ме­дий­ные АУ, по­зво­ляю­щие вы­пол­нять од­ну и ту же опе­ра­цию од­но­вре­мен­но над неск. па­ра­ми опе­ран­дов. Они ис­поль­зу­ют­ся при ра­бо­те с гра­фи­че­ской и ау­дио­ин­фор­ма­ци­ей, где при­хо­дит­ся об­ра­ба­ты­вать боль­шие объ­ё­мы дан­ных не­боль­шой раз­ряд­но­сти. Осо­бые тре­бо­ва­ния к АУ предъ­яв­ля­ют­ся в спе­циа­ли­зир. ЭВМ, пред­на­зна­чен­ных для циф­ро­вой об­ра­бот­ки сиг­на­лов (ЦОС), напр. ра­дио­ло­ка­ци­он­ных. Они, как пра­ви­ло, об­ра­ба­ты­ва­ют чис­ла с фик­си­ро­ван­ной за­пя­той 16- и 32-раз­ряд­ных фор­ма­тов в ре­жи­ме ре­аль­но­го вре­ме­ни и очень час­то ис­поль­зу­ют АУ, вы­пол­няю­щие ум­но­же­ние с на­ко­п­ле­ни­ем за один такт (пе­ре­мно­жа­ют­ся два це­лых опе­ран­да и при­бав­ля­ет­ся ре­зуль­тат, по­лу­чен­ный в пре­ды­ду­щей ко­ман­де), т. к. эта опе­ра­ция час­то ис­поль­зу­ет­ся в ал­го­рит­мах ЦОС. Про­гресс в элек­трон­ных тех­но­ло­ги­ях по­зво­ля­ет раз­ра­бот­чи­кам реа­ли­зо­вы­вать в АУ всё бо­лее слож­ные и бы­ст­рые ал­го­рит­мы.