Co to jest jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU)

Co to jest ALU? Jednostka arytmetyczno-logiczna, jeden z komponentów procesora. W artykule zachęcamy do zapoznania się z zasadami jego działania, historią tworzenia, głównymi cechami, wykonywanymi operacjami, istniejącymi klasyfikacjami ALU.

Definicja pojęcia

Jednostka arytmetyczno-logiczna jest jedną z jednostek procesora sterowanych przez jednostkę sterującą CU (jednostka sterująca). Jego celem jest wykonywanie przekształceń logicznych i arytmetycznych na operandach danych (argumenty operacji, informacje przetwarzane przez program). Szerokość bitowa argumentów w tym przypadku jest wielkością lub długością słowa maszynowego.

Nowoczesna wielofunkcyjna ALU składa się obecnie z dwóch części:

• Urządzenie operacyjne
• Urządzenie sterujące. Przeprowadza wtórne dekodowanie kodów poleceń, określa operację wykonywaną w arytmetycznej jednostce logicznej.

Zestaw wykonanych operacji

Ważne jest, aby wiedzieć, jakie operacje musi wykonać jednostka ALU, aby uzyskać kompletność funkcjonalną. Z reguły wystarczą cztery:

• Przywołaj pamięć urządzenia, aby czytać lub zapisywać informacje.
• Zmniejsz / zwiększ.
• Porównanie Tutaj realizowana jest możliwość warunkowego przejścia.
• Zatrzymaj działanie urządzenia.

Jeśli przejdziemy do pierwszych urządzeń arytmetycznych, zobaczymy, że liczba wykonywanych operacji została ograniczona do 16. Nowoczesne ALU są w stanie wykonać setki! Nawiasem mówiąc, liczba dzisiejszych operacji jest najważniejszą cechą tych urządzeń.

Klasyfikacja ALU

Pamiętamy, że arytmetyczna jednostka logiczna jest urządzeniem sterującym i operacyjnym. Ale nie wszystkie nowoczesne i historyczne ALU są takie same. Następnie podajemy najczęściej ich klasyfikację.

W ramach prezentowania informacji:

• Pływający punkt
• Ze stałym przecinkiem.

Przez sposób działania z operandami:

• Równolegle. W tym przypadku operacje na wszystkich bitach są wykonywane jednocześnie przez jednostkę ALU.
• Kolejny. W takim przypadku operacje będą wykonywane kolejno kolejno po każdej z cyfr.
• Równoległe sekwencyjne. Słowo danych tutaj jest podzielone na sylaby. Przetwarzanie informacji w takim ALU (arytmetycznej jednostce logicznej) odbywa się równolegle nad cyframi sylaby i kolejno nad sylabami.

W sprawie korzystania z systemów numerowania:

• Binarny.
• Binarny dziesiętny.
• Oktal.
• Hex i tak dalej.

Zgodnie z cechami wykorzystania węzłów i elementów:

• Blocky. Aby wykonać poszczególne operacje arytmetyczne, do systemu arytmetycznej jednostki logicznej procesora wprowadza się specjalne bloki. Te ostatnie pozwalają na równoległe przetwarzanie informacji.
• Przenośnik taśmowy Jaka jest różnica między tym typem ALU? Każda operacja zostanie podzielona na sekwencję mikroprocesorów. Są one wykonywane dla określonych środków (równe odstępy czasowe) na różnych poziomach takiego przenośnika. Operacja na przepływie operandów jest więc wykonywana w każdym cyklu zegara.
• Wielofunkcyjny. Są to uniwersalne jednostki logiczne, które mogą wykonywać wiele operacji w jednym urządzeniu. Jednak wymaga to dostosowania w celu wykonania określonej operacji przy użyciu jej kodu.

Zgodnie z charakterystyką czasową:

• Synchroniczny. W takich komputerowych jednostkach arytmetyczno-logicznych każda operacja będzie wykonywana w jednym cyklu zegara.
• Asynchroniczny. Odpowiednio, niezniszczalna ALU. Zapewnia wysoki stopień prędkości, jak w przypadku układów kombinacyjnych.

Zgodnie z charakterystyką urządzenia sterującego:

• Posiadanie kontroli oprogramowania układowego.
• Z ciasną logiką CU.

Główne funkcje

Arytmetyczna jednostka logiczna jest integralną częścią procesora komputera. ALU wykona następujące funkcje:

• Arytmetyka binarna dla informacji w formatach stałoprzecinkowych.
• Arytmetyka binarna dla informacji w formatach zmiennoprzecinkowych.
• Binarna dziesiętna arytmetyczna.
• Operacje logiczne (przesunięcia arytmetyczne i logiczne).
• Informacje o przesyłce.
• Pracuj z danymi postaci.
• Pracuj z informacjami graficznymi.

Główna charakterystyka ilościowa

Składniki arytmetycznej jednostki logicznej (OU i UU) określają charakterystyki ilościowe całego systemu ALU. W szczególności jest to następujące:

• Czas wykonania jednej operacji.
• Szybkość operacji w ogóle.
• Liczba wykonanych operacji.
• Dokładność dostarczonych informacji.

Główne cechy jakościowe

Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) jest integralną częścią procesora. To decyduje o najważniejszych cechach jakościowych:

• Strukturalne cechy systemu ALU.
• Techniki kodowania danych
• Formaty do prezentacji informacji - z punktem pływającym lub stałym.

Historia

Twórcą arytmetycznych urządzeń logicznych jest John von Neumann, twórca komputerów ENIAC (elektronicznych solwerów numerycznych).

Już w 1945 roku opublikował pierwsze prace naukowe na temat swojego wynalazku, komputer EDVAC. W następnym roku współpracował już ze swoimi kolegami przy tworzeniu takiego urządzenia w Instytucie Zaawansowanych Studiów Princeton.

Architektura tego wynalazku ("architektura von Neumanna") stała się później podstawą, prototypem architektur i większości kolejnych komputerów. W swoich pracach naukowiec zwrócił uwagę na obecność urządzeń, które jego zdaniem są obowiązkowe dla każdego komputera. Wśród nich wymieniono ALU. Von Neumann uważał, że arytmetyczne urządzenie logiczne było konieczne, ponieważ umożliwiło to systemowi wykonywanie podstawowych operacji matematycznych. W ten sposób: dodawanie i odejmowanie, mnożenie i dzielenie.

Urządzenie wewnętrzne ALU

Ustaliliśmy już, że warunkowo ALU można podzielić na dwie części:

• CU (urządzenie z oprogramowaniem układowym). Określa sekwencję poleceń i mikroinstrukcji.
• OU. Tutaj zaimplementowana jest wcześniej zdefiniowana sekwencja poleceń i mikroinstrukcji. Z kolei urządzenia operacyjne są podzielone w zależności od rodzaju przetwarzanej informacji, metody przetwarzania danych i struktury logicznej.

Warunkowo skład ALU podlega również następującym stopniom:

• Rejestry. Są używane do przetwarzania danych pochodzących zarówno z pamięci pasywnej, jak i RAM.
• Polecenia logiczne. Są one używane do przetwarzania słów przez mikroinstrukcje. Ten drugi, oczywiście, będzie pochodził z UU - urządzenia sterującego.

Same mikropolecenia są podzielone na dwie kategorie:

• Pochodzą z zewnętrznego źródła w ALU. Zadzwoń do konwersji informacji o jednostkach arytmetycznych.
• Generowane w samej ALU. Wpływ na urządzenie z oprogramowaniem układowym. W ten sposób zmienia normalną, standardową kolejność poleceń.

Funkcje rejestru ALU

Aby mieć pojęcie o pracy ALU, musimy bliżej przyjrzeć się funkcjom jego rejestrów:

• Pr1. To jest bateria lub baterie. Uważany jest za główny rejestr urządzenia, w którym powstaje wynik wykonanych obliczeń.
• Pr2, Pr3. Rejestry operandów, w zależności od charakteru operacji do wykonania - termin, dzielnik, mnożnik i tak dalej.
• Pr4. To jest rejestr adresów. Zapamiętuje (w innych przypadkach formularze) adresy operandów wyniku.
• Pr6. Pewna liczba rejestrów indeksu. Ich zawartość zostanie wykorzystana do wygenerowania adresów.
• Pr7. Rejestry pomocnicze. Na żądanie programisty mogą stać się bateriami, indeksowymi lub nawet zostać użyte do zapisania wyników pośrednich obliczeń.

Teraz proponujemy zwrócić się do konkretnych algorytmów pracy ALU.

Operacja dodawania

Funkcjonalnie arytmetyczna jednostka logiczna będzie składać się z rejestru 1, rejestru 2, sumatora i obwodu sterującego.

Teraz wypiszemy operację arytmetyczną na cyklach:

1. Wartość argumentu nr 1, biorącego udział w operacji dodawania, wchodzi do rejestru 1 za pośrednictwem szyny kodu.
2. Wartość argumentu nr 2, biorącego udział w operacji dodawania, wchodzi do rejestru 2 przez magistralę kodującą.
3. Odpowiednio magistrala instrukcji jest wysyłana do obwodu sterującego przez magistralę kodującą w celu wykonania tej operacji.
4. Dane z rejestrów trafiają do sumatora. Ponadto, obwód sterujący już daje polecenie do wykonania dodawania.
5. Wynik wykonanej operacji przechodzi do rejestru 1.
6. Wynik operacji arytmetycznej jednostki logicznej jest następnie podawany do bloku wyniku.

Operacja odejmowania

Spójrzmy na wykonanie kolejnej prostej operacji arytmetycznej:

1. Wartość argumentu nr 1, który bierze udział w operacji odejmowania, jest przekazywana do rejestru 1 na szynie kodu.
2. Wartość argumentu nr 2, który bierze udział w operacji odejmowania, jest przekazywana do rejestru 2 przez magistralę kodującą.
3. Instrukcje implementacji tego algorytmu są wyświetlane na instrukcjach szyny kodu do obwodu sterującego.
4. Następuje przekształcenie liczby dodatniej w schemat kontroli negatywnej.
5. Wynik takiego przekształcenia argumentu idzie dalej do sumatora.
6. Sumator wykonuje dodanie tych liczb.
7. Wynik operacji przechodzi do rejestru 1.
8. Wynik operacji odejmowania jest wysyłany do bloku wyniku.

Operacje w urządzeniu

I jeszcze jeden temat na koniec. Musimy pamiętać, że wszystkie operacje wykonywane w ALU są logiczne. Można je podzielić na następujące kategorie:

• Arytmetyka indeksu.
• Dziesiętna arytmetyka.
• Specjalna arytmetyka.
• Arytmetyka binarna dla wartości stałoprzecinkowych.
• Binarna, heksadecymalna arytmetyczna dla wartości zmiennoprzecinkowych.
• Ponad pola alfanumeryczne.
• Nad logicznymi kodami.
  

Jednostka arytmetyczno-logiczna - główna część procesora dowolnego komputera. Został opracowany w połowie ubiegłego wieku przez słynnego von Neumanna. Jest przeznaczony do wykonywania prostych operacji arytmetycznych i logicznych w komputerze. Obecnie istnieje duża liczba odmian ALU, jak widać z wielu prezentowanych klasyfikacji tych urządzeń.