ALU (LOGICZNA JEDNOSTKA ARYTMETYCZNA): OPERACJE I ARCHITEKTURA - TECHNOLOGIA - 2025

ALU (jednostka arytmetyczno-logiczna) jest elektroniczny układ, którego zadaniem jest prowadzenie wszystkich procesów związanych z procedurami logiki i obliczeń numerycznych. Jest wymieniony jako niezbędny element jednostki centralnej (CPU) komputerów.

Najnowsze procesory obejmują bardzo wydajne i złożone jednostki ALU. W niektórych strukturach CPU jednostka ALU jest podzielona na jednostkę arytmetyczną i jednostkę logiczną. Oprócz jednostki ALU, dzisiejsze procesory zawierają jednostkę sterującą.

Źródło: CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=168473

Większość operacji procesora jest wykonywana przez jedną lub więcej jednostek ALU, gdy dane są ładowane z rejestrów wejściowych. Rejestr to mała wolna przestrzeń do przechowywania jako część procesora.

Jednostka sterująca informuje ALU, jaką procedurę należy uruchomić z tą informacją i zapisuje wynik w rejestrze wyjściowym. Jednostka sterująca przekazuje informacje między rejestrami, jednostką ALU i pamięcią.

Ponieważ procedury stają się bardziej złożone, jednostka ALU będzie również zajmować więcej miejsca na procesor, kosztować więcej i generować więcej ciepła.

Operacje wykonywane przez ALU

ALU jest głównie przeznaczony do wykonywania operacji logicznych i matematycznych, w tym operacji przesunięcia bitów. Są to podstawowe procesy, które muszą być wykonywane na prawie wszystkich danych przetwarzanych przez procesor.

Logiczna jednostka arytmetyczna jest tym elementem procesora, który wykonuje wszystkie obliczenia, których może potrzebować procesor. Jest to część „obliczeniowa” komputera, ponieważ wykonuje podstawowe operacje arytmetyczne i logiczne.

Wiele procedur ma charakter logiczny. Zgodnie z projektem jednostki ALU, CPU może mieć większą moc. Jednak spowoduje to również, że zużyjesz więcej energii i wyprodukujesz więcej ciepła.

Różne operacje wykonywane przez ALU można sklasyfikować w następujący sposób:

Operacje logiczne

Oto różne operacje logiczne, takie jak AND, OR, NOT, XOR, NOR, NAND itp.

Działania arytmetyczne

Odnosi się do dodawania i odejmowania bitów. Chociaż czasami stosuje się mnożenie i dzielenie, operacje te są droższe w wykonaniu.

Powtarzające się dodawanie może również służyć jako podstawienie mnożenia i powtarzalnego odejmowania w celu zastąpienia dzielenia.

Operacje przesunięcia bitowego

Odnosi się do przesunięcia pozycji bitów w określonej liczbie miejsc w prawo lub w lewo, co jest traktowane jako operacja mnożenia.

Jednostka arytmetyczno-logiczna

W jednostce arytmetycznej mnożenie i dzielenie jest wykonywane przez serię operacji dodawania lub odejmowania oraz przez przesuwanie bitów. Istnieje kilka sposobów przedstawiania liczb ujemnych.

Na dysku logicznym można wykonać dowolną z 16 możliwych operacji logicznych. Na przykład zestawienie dwóch operandów lub rozpoznanie, gdzie bity nie pasują.

Architektura ALU

ALU ma bezpośredni dostęp zarówno do wejścia, jak i wyjścia do jednostki sterującej procesora, pamięci głównej oraz urządzeń wejściowych i wyjściowych.

Dane wejściowe i wyjściowe są przesyłane drogą elektroniczną zwaną magistralą. Dane wejściowe odpowiadają instrukcji, która zawiera jeden lub więcej operandów, kod operacji oraz, w niektórych przypadkach, kod formatu.

Kod operacji pokazuje jednostce ALU, jaką akcję ma wykonać, oprócz operandów zaangażowanych w tę operację. Na przykład, możesz poinstruować, aby te dwa operandy zostały odjęte lub porównane.

Dane wyjściowe składają się z wyniku, który zostanie umieszczony w rejestrze pamięci oraz konfiguracji, która wskaże, czy operacja się powiodła. Jeśli nie, jakiś stan zostanie zapisany w stanie maszyny.

Strumień bitów i operacje na nich wykonywane w podjednostkach ALU są kontrolowane przez obwody bramek.

W tych obwodach jednostka logiczna sekwencji jest tą, która kieruje bramkami przez określoną sekwencję, która odpowiada każdemu kodowi operacji.

Bramki logiczne

Wszystkie informacje w komputerze są przechowywane i przetwarzane w postaci liczb binarnych, czyli 0 i 1. Przełączniki tranzystorowe służą do obsługi liczb binarnych, ponieważ w przełączniku są tylko dwa możliwe stany: otwarty lub Zamknięte.

Otwarty tranzystor, przez który nie przepływa prąd, reprezentuje 0. Tranzystor zamknięty, przez który przepływa prąd, reprezentuje 1.

Operacje można wykonać, podłączając wiele tranzystorów. Jeden tranzystor może być użyty do sterowania drugim tranzystorem. Na przykład przełącznik jednego tranzystora włącza się lub wyłącza w zależności od stanu drugiego tranzystora.

Nazywa się to bramą, ponieważ ten układ może być używany do zezwalania lub zatrzymywania prądu elektrycznego.

Bramy są elementami konstrukcyjnymi ALU. Zbudowane są z diod, rezystorów lub tranzystorów. Bramki te są używane w układzie scalonym do reprezentowania wejścia binarnego jako stanu „włączony” i „wyłączony”.

ALU jest konfigurowana za pomocą obwodu kombinatorycznego. Ten obwód używa bramek logicznych, takich jak AND, OR, NOT dla swojej konformacji.

AND brama

Bramka AND ma dwa lub więcej wejść. Wyjście bramki AND ma wartość 1, jeśli wszystkie wejścia mają wartość 1. Bramka AND zwraca 0, jeśli którekolwiek z danych wejściowych to 0.

OR brama

Bramka OR może mieć dwa lub więcej wejść. Wyjście bramki OR zawsze będzie równe 1, jeśli którekolwiek z wejść ma wartość 1 i 0, jeśli wszystkie wejścia mają wartość 0.

NIE brama

Najprostszym rodzajem operacji jest bramka NIE. Używa tylko jednego tranzystora. Wykorzystuje jedno wejście i generuje jedno wyjście, które jest zawsze przeciwieństwem wejścia.

Bramka NOT jest używana do odwrócenia wyniku bramek lub odwrócenia stanu boolowskiego z 0 na 1 iz 1 na 0. Jest również używana z bramką „AND” i „OR”.

W połączeniu z bramką AND lub OR, bramka NOT jest reprezentowana przez małe kółko przed obiema bramkami.

Po użyciu bramki NOT, bramki AND stają się NAND, a bramki „OR” stają się NOR.

Dokumentacja

Są bardzo ważnym komponentem jednostki ALU do przechowywania instrukcji, danych pośrednich, operandów wejściowych, dodawanych operandów, skumulowanego wyniku, który jest przechowywany w akumulatorze oraz wyniku końcowego.

Rejestry zapewniają bardzo szybki dostęp do pamięci w porównaniu z pamięcią podręczną, pamięcią RAM i dyskiem twardym. Są wbudowane w procesor i są małe.

Bibliografia

1. Paul Zandbergen (2019). Arytmetyczna jednostka logiczna (ALU): definicja, konstrukcja i funkcja. Badanie. Zaczerpnięte z: study.com.
2. Techopedia (2019). Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU). Zaczerpnięte z: sufitpedia.com.
3. Margaret Rouse (2019). Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU). Techtarget. Zaczerpnięte z: whatis.techtarget.com.
4. Dinesh Thakur (2019). Co to jest arytmetyczna jednostka logiczna (ALU)? - Definicja i znaczenie. Uwagi do komputera. Zaczerpnięte z: ecomputernotes.com.
5. Wikipedia, wolna encyklopedia (2019). Jednostka arytmetyczno-logiczna. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org.