Este tema está dedicado al funcionamiento y diseño de la Unidad Aritmético Lógica y de los componentes necesarios que permiten a la misma funcionar correctamente. La ALU es un elemento fundamental de los computadores actuales, se integra dentro de la CPU y necesita de dos elementos fundamentales para poder operar, registros y buses. Los objetivos que se buscaban con la realización de la práctica eran aprender de forma básica como opera este elemento, aprender a manejarnos en el software de simulación (Logisim) y realizar ciertas operaciones básicas para comprender cómo se comporta el ordenador con cada instrucción.
Como ya sabemos, la ALU es un circuito digital que se encarga de realizar operaciones aritméticas (como una suma o una división) y lógicas (como una conjunción ―AND― o una disyunción ―OR―). La ALU que hemos diseñado es muy simple. Contiene cuatro operadores (suma, negador, desplazamiento y conjunción) y se apoya en un bus compartido y cuatro registros auxiliares (tres de uso general y un cuarto para almacenar uno de los operandos), además de un banco de registros (también con cuatro).
La práctica comenzó realizando ejercicios básicos, como un circuito decodificador de 2 bits en binario, la implementación de un bus compartido bidireccional de 8 bits (con un display) y registros con control de triestado, tal y como se puede ver en las capturas.
El siguiente problema consistía en crear un banco de registros. Para que la tarea no fuera demasiado tediosa, el banco propuesto tendría únicamente cuatro registros. Como iba a implantarse en un bus compartido, debía disponer de señales de control de triestado, además del selector del registro con el que se quería operar y la señal de carga, unido a la entrada y salida de datos.
Al crear el decodificador que selecciona los buffers triestados teníamos un problema, y es que nuestro circuito mostraba error cada vez que la entrada de habilitación del decodificador (TB) estaba desconectada. El problema se solucionó porque detectamos que se trataba de un error de conexión, ocurría lo mismo que ocurre cuando se te olvida conectar algún pin. Investigando en las referencias de las librerías de Logisim (menu de Ayuda) averiguamos que el atributo "Disabled Output" estaba incorrectamente seleccionado. Tiene dos posibles valores, "Floating", que hace como si cada linea quedara desconectada del resto de elementos, y "Zero" que introduce un 0 lógico constante mientras la entrada de habilitación del decodificador está desactivada. Debimos seleccionar "Zero" para que empezara a funcionar correctamente.
Para que a la hora de conectar todos estos circuitos fuera sencillo y simple identificarlos, usamos la herramienta de creación de bloques (subcircuitos) de Logisim. No fue difícil entender su funcionamiento y el gran potencial de esta característica. La apariencia del banco quedó como se puede ver en la imágen siguiente.
Otra de las cosas que nos supuso más problema a la hora de crear el banco es que Logisim no permite crear un pin que sea a la vez de entrada y de salida, por lo que tuvimos que crear un hilo de entrada (izquierda) distinto al de salida (derecha). Esto no significó mucho esfuerzo, lo que nos llevó más tiempo fue determinar por qué nuestro banco no funcionaba correctamente cuando usábamos el bloque antes de separar la entrada y la salida.
La última implementación fue la de la ALU. El circuito debía contar con cuatro operadores (suma, negación, conjunción y desplazamiento). Cada una de estas operaciones debían estar integradas, tomando y devolviendo los datos por unos mismos hilos. Para ello, todas las entradas se conectan a cada uno de los operadores, y la salida se selecciona mediante un multiplexor cuyo selector será de 2 bits para poder seleccionar nuestras cuatro operaciones. Así, el selector 00 identifica la suma, el 01 identifica la conjunción, el 10 hace referencia a la negación y el 11 selecciona el desplazamiento. Nuestro circuito quedó como se puede ver en la imagen de abajo.
Siguiendo el mismo procedimiento que con el banco, nos dispusimos a diseñar el bloque que representaría la ALU, y que nos permitiría aunar todos los circuitos de manera clara.
Así, con todos los componentes ya implementados, nos dispusimos a conectar el camino de datos y todos nuestros componentes, creando un circuito capaz de realizar operaciones, es decir, una Unidad Aritmético Lógica totalmente funcional.
Para que se note la diferencia de claridad que se obtiene al usar el diagrama de bloques (subcircuitos), hemos realizado el mismo circuito sin usar dicha herramienta, quedando como se puede ver abajo.
Lo último que nos quedaba por hacer era comprobar su funcionamiento. Para ello, realizamos ciertas operaciones y comprobamos que el resultado era el esperado.
- Cargar en el registro R0 el dato 0x1F
- Cargar en el registro R1 el dato 0x21
- Cargar en el registro R2 el dato 0x4A
- Cargar en el registro R3 el dato 0x35
- Sumar R1 y R2 y almacenarlo en Raux0
- Hacer la operación AND entre R0 y R3 y almacenarlos en Raux1
- Desplazar dos veces en registro R1 y almacenarlo en el registro Raux2
- Llevar R2 al acumulador y complementar su valor. El resultado almacenarlo en R0
De los tres últimos, hemos realizado el cronograma tal y como nos indicaba el guión de prácticas.
Comentarios sobre la práctica.
| CLCK | |||||||||||||||||||||||||||||
| BUS | 0x1f | 0x35 | 0x15 | 0x21 | 0x90 | 0x48 | 0x35 | 0xca | |||||||||||||||||||||
| SB | 00 | 11 | 01 | 11 | 00 | ||||||||||||||||||||||||
| CB | |||||||||||||||||||||||||||||
| TRB | |||||||||||||||||||||||||||||
| CRaux0 | |||||||||||||||||||||||||||||
| TRaux0 | |||||||||||||||||||||||||||||
| CRaux1 | |||||||||||||||||||||||||||||
| TRaux1 | |||||||||||||||||||||||||||||
| CRaux2 | |||||||||||||||||||||||||||||
| TRaux2 | |||||||||||||||||||||||||||||
| CA | |||||||||||||||||||||||||||||
| OP | 01 | 11 | 11 | 10 | |||||||||||||||||||||||||
| CTmp | |||||||||||||||||||||||||||||
| TTmp | |||||||||||||||||||||||||||||
| A | 0x1f | 0x21 | 0x90 | 0x35 | |||||||||||||||||||||||||
| R0 | 0x1f | 0xca | |||||||||||||||||||||||||||
| R1 | 0x21 | ||||||||||||||||||||||||||||
| R2 | 0x4a | ||||||||||||||||||||||||||||
| R3 | 0x35 | ||||||||||||||||||||||||||||
| Raux0 | |||||||||||||||||||||||||||||
| Raux1 | 0x15 | ||||||||||||||||||||||||||||
| Raux2 | 0x48 | ||||||||||||||||||||||||||||
| RTmp | 0x15 | 0x90 | 0x48 | 0xca | |||||||||||||||||||||||||
Comentarios sobre la práctica.
- Se trata de una práctica no muy compleja pero que ayuda enormemente a comprender el funcionamiento de la ALU y el camino de datos.
- Es muy sencillo aprender a usar Logisim, sin embargo, hubiera sido de gran ayuda que se nos hubiera explicado la forma de trabajar con bloques diseñados (subcircuitos), ya que es una herramienta muy potente del programa que permite integrar un circuito en un único elemento, añadiendo claridad al circuito principal y mejorando mucho la visibilidad.
- Algunas características a tener en cuenta (como la propiedad "Disabled Output" del decodificador del banco) deberían indicarse de forma que el alumno supiera cual era el error y como solucionarlo, sin tener que gastar tiempo de la práctica en investigar qué ocurre.
- Deberían haberse sincronizado mejor la prueba presencial con esta práctica, ya que realizar los últimos ejercicios es muy útil para comprender correctamente el funcionamiento y ver los errores más comunes que se suelen cometer al realizar el cronograma, ya que puedes interactuar con el simulador para comprobar que lo que has hecho funciona como debe.
Preguntas frecuentes.
- ¿Cómo añado texto a cada elemento para identificar lo que es?
La mayoría de los componentes de Logisim tienen un atributo llamado "Etiqueta". Si lo seleccionas, podrás ver esta casilla en la barra lateral. El texto que escribas ahí se verá reflejado al lado del componente. También puedes modificar su posición con el desplegable llamado "Posición de la Etiqueta". Si tu componente no tiene dicho atributo, siempre puedes recurrir a la herramienta "Texto" de la barra superior. - ¿Por qué me aparecen líneas naranjas al conectar diferentes componentes?
Probablemente los anchos de cada componente y del bus que los une sean distintos. Recuerda que si tus componentes tienen de ancho, por ejemplo, 8 bits, tu bus también debe tener el mismo ancho. Puedes modificar este atributo en la barra lateral que aparece al seleccionar dicho componente. - ¿Por qué mis líneas se vuelven rojas cuando activo ciertos componentes?
Si estas ante un bus compartido, el problema más común es que ya haya algún dispositivo que esté usándolo. Recuerda que debes trabajar con buffers triestado en este tipo de bus, por lo que puedes comprobar si ya tienes alguno de ellos activo. - ¿Cómo uso la herramienta de diseño de subcircuitos?
Esta herramienta es muy fácil de usar. Una vez que hayas finalizado la implementación del circuito, haz clic en el botón identificado como "Edit viewed circuit's subcircuit appearance". Te aparecerá un diseño preeliminar con los distintos pines que has usado. Si pulsas en cada pin, te aparecerá una miniatura donde puedes ver con cual se corresponde. Con las herramientas de dibujo de la barra superior puedes crear tu componente. Lo único que tendrás que hacer después será colocar todos los pines encima de tu diseño e identificarlos correctamente. - Ya tengo el diseño, ¿cómo los conecto en un solo circuito?
Tienes que crear un nuevo circuito. Para ello, pulsa en el botón "Añadir circuito". Una vez que lo tengas, simplemente selecciona el circuito anterior y arrástralo hasta el área de trabajo como si de otro componente se tratase. También puedes cambiar su orientación el barra de atributos. - ¿Cómo puedo crear un pin de entrada/salida en mi diseño?
Logisim no permite esta opción. Estás obligado a crear dos pines, uno de entrada y otro de salida, aunque luego puedes unirlos externamente. - Tengo un problema al crear el banco de registros. El decodificador que acciona los triestados no actúa correctamente y mi circuito muestra un error.
Tienes que cambiar un atributo del decodificador que selecciona los buffers triestado. "Disabled Output" debe valer "Zero" (por defecto "Floating"). Este atributo especifica lo que debe valer cada pin del decodificador cuando éste está desactivado. "Floating" se interpreta como la desconexión de las salidas, como si el cable no estuviera conectado. Cuando seleccionamos "Zero", cada salida actuará como si tuviera un 0 lógico constante conectado a ella.
Realizado por Manuel Francisco y Javier Béjar.
