Πώς λειτουργούν οι μικροεπεξεργαστές ALU και η μονάδα ελέγχου;

Η μονάδα αριθμητικής λογικής (ALU) και η μονάδα ελέγχου (CU) αποτελούν δύο θεμελιώδη συστατικά της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας μικροεπεξεργαστή (CPU). Συνεργάζονται για να εκτελέσουν οδηγίες που έχουν ληφθεί από τη μνήμη. Σκεφτείτε τους ως τον υπολογισμό του εγκεφάλου και το κέντρο εντολών, αντίστοιχα.

1. Η αριθμητική μονάδα λογικής (ALU):Η αριθμομηχανή

Η δουλειά της ALU είναι να εκτελέσει αριθμητικές και λογικές λειτουργίες σε δεδομένα. Αυτό περιλαμβάνει:

* Αριθμητικές λειτουργίες: Προσθήκη, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός, διαίρεση, αύξηση, μείωση.

* Λογικές λειτουργίες: Και, ή, xor, όχι, συγκρίσεις (μεγαλύτερες από, λιγότερο από, ίσες με).

* Λειτουργίες Bitwise: Μετατόπιση των κομματιών αριστερά ή δεξιά (χρήσιμα για πολλαπλασιασμό/διαίρεση με εξουσίες 2), κάλυψη bits.

Πώς λειτουργεί:

1. Εισαγωγή δεδομένων: Το ALU λαμβάνει δεδομένα (τελεστές) από καταχωρητές-μικρές τοποθεσίες μνήμης υψηλής ταχύτητας εντός της CPU.

2. Εκτέλεση λειτουργίας: Με βάση τις οδηγίες που λαμβάνονται από το CU, η ALU εκτελεί την καθορισμένη λειτουργία στα δεδομένα εισόδου.

3. Έξοδος αποτελεσμάτων: Το αποτέλεσμα της λειτουργίας αποθηκεύεται σε ένα μητρώο ή γραπτό πίσω στη μνήμη. Το ALU επίσης συχνά ορίζει σημαίες (bits status) που υποδεικνύουν πράγματα όπως υπερχείλιση (αποτέλεσμα πολύ μεγάλο για το μητρώο), μηδενικό αποτέλεσμα ή μεταφορά (ένα ψηφίο που μεταφέρεται κατά την προσθήκη). Αυτές οι σημαίες χρησιμοποιούνται από το CU για να λαμβάνουν αποφάσεις σχετικά με τις επακόλουθες οδηγίες.

2. Η μονάδα ελέγχου (CU):Το αφεντικό

Το CU είναι ο "εγκέφαλος" της CPU, κατευθύνοντας τη ροή δεδομένων και λειτουργιών. Οι βασικές ευθύνες του είναι:

1. Fetch: Το CU αναλαμβάνει οδηγίες από τη μνήμη, μία κάθε φορά, με βάση τον μετρητή προγράμματος (PC), ο οποίος παρακολουθεί τη διεύθυνση της επόμενης εντολής.

2. Αποκάλυψη οδηγιών: Το CU αποκωδικοποιεί την εντολή που έχει ληφθεί για να καθορίσει ποια λειτουργία πρέπει να εκτελεστεί και ποια δεδομένα εμπλέκονται. Αυτή η αποκωδικοποίηση περιλαμβάνει την κατανόηση του OPCode (κωδικός λειτουργίας) και των τελεστών (δεδομένα).

3. Το CU ανακτά τους απαραίτητους τελεστές από μητρώα ή μνήμη.

4. Λειτουργία ALU: Το CU στέλνει τους τελεστές και τον κωδικό λειτουργίας στην ALU. Στη συνέχεια, περιμένει την ALU να ολοκληρώσει τη λειτουργία του.

5. Αποθήκευση αποτελεσμάτων: Μόλις τελειώσει η ALU, το CU κατευθύνει την αποθήκευση του αποτελέσματος πίσω σε μια θέση μητρώου ή μνήμης.

6. Το CU ενημερώνει το πρόγραμμα του προγράμματος για να δείξει την επόμενη εντολή στην ακολουθία του προγράμματος.

7. διακλάδωση και άλματα: Με βάση τις σημαίες που ορίζονται από την ALU (ή άλλες συνθήκες), το CU μπορεί να αλλάξει τη ροή του προγράμματος. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει το άλμα σε μια διαφορετική θέση στη μνήμη ή στην υπό όρους που εκτελούν μπλοκ κώδικα (π.χ. δηλώσεις if`).

8. Έλεγχος εισόδου/εξόδου (I/O): Το CU διαχειρίζεται την επικοινωνία με εξωτερικές συσκευές (όπως τα κλειδί, οι οθόνες και οι σκληροί δίσκοι).

αλληλεπίδραση μεταξύ Alu και Cu:

Τα ALU και CU λειτουργούν με σφιχτά συζευγμένο τρόπο:

* Το CU ενορχηστοποιεί όλες τις λειτουργίες. Λέει στο ALU τι να κάνει και πού να πάρει τα δεδομένα.

* Το ALU εκτελεί τους υπολογισμούς και ορίζει σημαίες, παρέχοντας ανατροφοδότηση στο CU.

* Το CU χρησιμοποιεί αυτήν την ανατροφοδότηση για να λάβει αποφάσεις σχετικά με τα επόμενα βήματα στην εκτέλεση του προγράμματος.

Στην ουσία, η ALU είναι υπεύθυνη για το "τι" (εκτέλεση υπολογισμών), ενώ το CU είναι υπεύθυνο για το "How" (ελέγχοντας τη ροή δεδομένων και λειτουργιών). Είναι αλληλεξαρτώμενες και απαραίτητες για τη λειτουργικότητα κάθε μικροεπεξεργαστή.