Unidad lógica aritmética

La unidad lógica aritmética ( ALU ; en inglés  aritmetic logic unit, ALU ) es una unidad procesadora que, bajo el control del dispositivo de control, sirve para realizar transformaciones aritméticas y lógicas (a partir de las elementales ) sobre los datos, llamados en este caso operandos . El valor de bits de los operandos generalmente se denomina tamaño o longitud de la palabra de la máquina .

El concepto de unidad aritmética lógica fue propuesto en 1945 por John von Neumann en una publicación sobre EDVAC ; se convirtió en uno de los componentes de la ahora clásica arquitectura informática de von Neumann .

Organización y principios de funcionamiento

La ALU binaria binaria (dos operandos) de un bit con una salida binaria (dos dígitos) puede realizar hasta funciones (operaciones) binarias binarias (dos operandos) con una salida binaria (dos dígitos).

La unidad aritmético-lógica, dependiendo del desempeño de las funciones, se puede dividir en dos partes:

• un dispositivo de microprograma (dispositivo de control) que especifica una secuencia de microcomandos (comandos);
• un dispositivo operativo en el que se implementa una secuencia determinada de microinstrucciones (comandos).

La estructura de la unidad lógica aritmética incluye condicionalmente registros Rg1 - Rg7, que sirven para procesar información proveniente de la memoria operativa o pasiva N1, N2, ... NS y circuitos lógicos que se utilizan para procesar palabras de acuerdo con microinstrucciones provenientes del control. dispositivo.

Hay dos tipos de microcomandos: externos: los microcomandos que ingresan a la ALU desde fuentes externas y provocan la transformación de la información en ella, e internos: los que se generan en la ALU y afectan el dispositivo de microprograma, cambiando así la secuencia normal de comandos.

Funciones típicas de los registros incluidos en la unidad aritmética lógica:

• Rg1 - acumulador (o acumuladores) - el registro principal de la ALU, en el que se forma el resultado de los cálculos;
• Rg2, Rg3 - registros de operandos (término, factor, divisor, dividendo y otros) según la operación que se esté realizando;
• Rg4: registro de direcciones (o registros de direcciones) diseñado para almacenar (a veces formar) la dirección de los operandos de resultado;
• Rg6 - k registros de índice, cuyo contenido se utiliza para formar direcciones;
• Pr7 - l registros auxiliares que, a petición del programador, pueden ser acumuladores, registros de índice o utilizados para almacenar resultados intermedios.

Parte de los registros operacionales se pueden abordar en la instrucción para realizar operaciones sobre sus contenidos, y se denominan accesibles por programa. Estos registros incluyen: sumadores, registros de índice y algunos registros auxiliares. Los registros restantes no se pueden direccionar en el programa, es decir, son inaccesibles para el programa.

Los dispositivos operativos se pueden clasificar según el tipo de información procesada, la forma en que se procesa y la estructura lógica.

Una estructura lógica tan compleja de la ALU puede caracterizarse por la cantidad de microoperaciones que difieren entre sí, que son necesarias para completar todo el complejo de tareas asignadas a la unidad lógica aritmética. A la entrada de cada registro, se ensamblan los circuitos lógicos correspondientes, proporcionando tales conexiones entre los registros, lo que hace posible implementar las microoperaciones especificadas. Realizar operaciones sobre palabras se reduce a realizar ciertas microoperaciones que controlan la transferencia de palabras a la ALU y acciones para transformar palabras. El orden de ejecución de los microcomandos está determinado por el algoritmo para realizar operaciones. Es decir, las conexiones entre los registros ALU y sus funciones dependen principalmente de la metodología aceptada para realizar operaciones lógicas, incluidas las aritméticas o aritméticas especiales.

Un ejemplo de operación ALU en operaciones de suma

Funcionalmente, la ALU consta de dos registros (Registro 1, Registro 2), un circuito de control y un sumador [1] . La operación aritmética se realiza en ciclos:

• el valor del operando 1 involucrado en la operación aritmética en el bus de datos ingresa al Registro 1 o ya está allí;
• el valor del operando 2 involucrado en la operación aritmética en el bus de datos ingresa al Registro 2 o ya está allí;
• el bus de instrucción recibe una instrucción para realizar una operación en el circuito de control;
• los datos de los registros ingresan al sumador, el circuito de control da un comando para realizar la suma;
• el resultado de la suma ingresa al Registro 1;
• los signos de la operación en la ALU ingresan al registro de banderas.

Un ejemplo de operación ALU en una operación de resta:

• el valor del operando 1 involucrado en la operación aritmética en el bus de datos de código ingresa al Registro 1;
• el valor del operando 2 involucrado en la operación aritmética en el bus de datos de código ingresa al Registro 2;
• en el bus de código de instrucciones, se recibe una instrucción para realizar una operación de resta en el circuito de control;
• el circuito de control convierte un número positivo en uno negativo (en formato de complemento a dos);
• el resultado de la conversión del operando ingresa al sumador;
• el sumador suma dos números;
• el resultado de la suma ingresa al Registro 1;
• el resultado de la operación ALU entra en el bloque resultante.

Operaciones

Todas las operaciones realizadas en la unidad lógica aritmética son operaciones lógicas (funciones), que se pueden dividir en los siguientes grupos:

• operaciones aritméticas binarias para números de punto fijo;
• operaciones de aritmética binaria (o hexadecimal) para números de coma flotante;
• operaciones aritméticas decimales;
• indexar operaciones aritméticas (al modificar direcciones de instrucciones);
• operaciones de aritmética especial;
• operaciones sobre códigos lógicos (operaciones lógicas);
• Operaciones en campos alfanuméricos.

Las computadoras modernas de uso general generalmente implementan operaciones de todos los grupos anteriores, y las computadoras pequeñas y microcomputadoras , los microprocesadores y las computadoras especializadas a menudo no tienen equipos para aritmética de punto flotante, aritmética decimal y operaciones en campos alfanuméricos. En este caso, estas operaciones son realizadas por subrutinas especiales.

Las operaciones aritméticas incluyen suma , resta , resta de módulo ("operaciones cortas") y multiplicación y división ("operaciones largas"). El grupo de operaciones lógicas consiste en operaciones de disyunción (OR lógico) y conjunción (AND lógico) sobre palabras binarias multibit, comparación de códigos por igualdad. Las operaciones aritméticas especiales incluyen normalización, desplazamiento aritmético (solo se desplazan los bits digitales, el bit de signo permanece en su lugar), desplazamiento lógico (el bit de signo se desplaza junto con los bits digitales). El grupo de operaciones para editar información alfanumérica es extenso. Cada operación en una ALU es una función lógica o secuencia de funciones lógicas descritas por lógica binaria para computadoras binarias, lógica ternaria para computadoras ternarias , lógica cuaternaria para computadoras cuaternarias, lógica decimal para computadoras decimales, etc.

Clasificación

Las unidades aritméticas lógicas se dividen en seriales y paralelas según la forma en que actúan sobre los operandos. En los dispositivos seriales, los operandos se representan en código serial y las operaciones se realizan secuencialmente en el tiempo en sus bits individuales; en paralelo - por un código paralelo y las operaciones se realizan en paralelo en el tiempo sobre todos los bits de los operandos.

Según la forma en que se representan los números, se distinguen los dispositivos aritmético-lógicos:

• para números de punto fijo;
• para números de coma flotante;
• para números decimales .

Por la naturaleza del uso de elementos y nodos, las ALU se dividen en bloques y multifuncionales. En un dispositivo de bloque, las operaciones sobre números fijos y de punto flotante, números decimales y campos alfanuméricos se realizan en bloques separados, aumentando la velocidad de operación, ya que los bloques pueden realizar las operaciones correspondientes en paralelo, pero los costos del equipo aumentan significativamente. En las ALU multifuncionales, las operaciones para todas las formas de representación numérica se realizan mediante los mismos circuitos, que se conmutan de la manera correcta según el modo de operación requerido.

En cuanto a sus funciones, una unidad aritmética lógica es una unidad operativa que realiza microoperaciones que aseguran la recepción de operandos de otros dispositivos (por ejemplo, memoria), su transformación y la emisión de resultados de transformación a otros dispositivos. La unidad aritmético-lógica está controlada por una unidad de control que genera señales de control que inician la ejecución de ciertas microoperaciones en la ALU. La secuencia de señales generadas por el bloque de control está determinada por el código de operación de comando y las señales de alerta.

Notas

1. ↑ Makarova N. V. Informática: libro de texto. - M. : Finanzas y estadísticas, 2006. - 768 p. — ISBN 978-5-279-02202-1 .

Literatura

• Kagan BM Computadoras y sistemas electrónicos. - 3ª ed., revisada. y adicional - Energía atomizada, 1991. - ISBN 5-283-01531-9 .
• Ugryumov E.P. Circuitos digitales. proc. asignación para universidades. ed. 2.- BHV-Petersburgo, 2004.
• Samofalov K. G., Romankevich A. M., Valuysky V. N., Kanevsky Yu. S., Pinevich M. M. Teoría aplicada de los autómatas digitales. - K. : escuela Vishcha, 1987. - S. 375.
• Ershov A.P., Monakhov V.M., Beshenkov S.A. y otros 1 // Fundamentos de informática y ciencias de la computación: problema. libro de texto asignación para los miércoles. libro de texto establecimientos A las 2 horas - M. : Educación, 1985. - S. 96.
• Ershov A.P., Monakhov V.M., Kuznetsov A.A. y otros 2 // Fundamentos de informática y tecnología informática: problema. libro de texto asignación para los miércoles. libro de texto establecimientos A las 2 horas - M. : Educación, 1986. - S. 143.
• IX Unidad aritmética lógica (enlace inaccesible) . Fundamentos lógicos de las computadoras. Manual para los cursos "Radioelectrónica" y "Medios microprocesadores" . República de Karelia, Petrozavodsk, PetrSU. Departamento de información-sistemas de medida y electrónica física . Consultado el 18 de septiembre de 2010. Archivado desde el original el 3 de junio de 2004. (Ruso) 
• Estudio de la eficiencia de los procesadores ALU y FPU de diferentes generaciones de TestLabs.kz