算術(shù)邏輯單元

一種組合邏輯電路算術(shù)邏輯單元01簡介特點發(fā)展邏輯單元目錄030204基本信息算術(shù)邏輯單元(arithmeticandlogicunit)是能實現(xiàn)多組算術(shù)運算和邏輯運算的組合邏輯電路，簡稱ALU。簡介簡介算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元（Arithmetic&logicalUnit）是中央處理器(CPU)的執(zhí)行單元，是所有中央處理器的核心組成部分，由"AndGate"（與門）和"OrGate"（或門）構(gòu)成的算術(shù)邏輯單元，主要功能是進行二位元的算術(shù)運算，如加減乘(不包括整數(shù)除法)。基本上，在所有現(xiàn)代CPU體系結(jié)構(gòu)中，二進制都以補碼的形式來表示。發(fā)展早期發(fā)展數(shù)字系統(tǒng)可行性分析簡單運算發(fā)展復雜運算ALU與FPU輸入和輸出發(fā)展早期發(fā)展1946年，馮諾伊曼與同事合作為普林斯頓高等學習學院(IAS)設(shè)計計算機。隨后IAS計算機成為后來計算機的原形。在論文中，馮諾伊曼提到他所相信的計算機中所需的部件，而其中包括ALU。馮諾伊曼寫到，ALU是計算機的必備組成部分，因為已確定計算機一定要完成基本的數(shù)學運算，包括加減乘除。于是他相信「（計算機）應(yīng)該含有專門完成此類運算的部件?！箶?shù)字系統(tǒng)ALU必須與數(shù)字電路的其他部分使用同樣的格式來進行數(shù)字處理。對現(xiàn)代處理器而言，數(shù)值一律使用二進制補碼表示。早期的計算機曾使用過很多種數(shù)字系統(tǒng)，包括反碼、符號數(shù)值碼，甚至是十進制碼，每一位用十個管子。以上這每一種數(shù)字系統(tǒng)所對應(yīng)的ALU都有不同的設(shè)計，而這也影響了當前對二進制補碼的優(yōu)先選擇，因為二進制補碼能簡化ALU加法和減法的運算。一個簡單的能進行與或非和加運算的2位ALU?？尚行苑治鼋^大部分計算機指令都是由ALU執(zhí)行的。ALU從寄存器中取出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理將運算結(jié)果存入ALU輸出寄存器中。其他部件負責在寄存器與內(nèi)存間傳送數(shù)據(jù)。控制單元控制著ALU，通過控制電路來告訴ALU該執(zhí)行什么操作。

簡單運算大部分ALU都可以完成以下運算∶整數(shù)算術(shù)運算（加、減，有時還包括乘和除，不過成本較高）位邏輯運算（與、或、非、異或）移位運算（將一個字向左或向右移位或浮動特定位，而無符號延伸），移位可被認為是乘以2或除以2。復雜運算工程師可設(shè)計能完成任何運算的ALU，不論運算有多復雜；問題在于運算越復雜，ALU成本越高，在處理器中占用的空間越大，消耗的電能越多。于是，工程師們經(jīng)常計算一個折中的方案，提供給處理器（或其他電路）一個能使其運算高速的ALU，但同時又避免ALU設(shè)計的太復雜而價格昂貴。設(shè)想你需要計算一個數(shù)的平方根，數(shù)字工程師將評估以下的選項來完成此操作∶設(shè)計一個極度復雜的ALU，它能夠一步完成對任意數(shù)字的平方根運算。這被稱為單時鐘脈沖計算。設(shè)計一個非常復雜的ALU，它能夠分幾步完成一個數(shù)字的平方根運算。不過，這里有個訣竅，中間結(jié)果經(jīng)過一連串電路，就像是工廠里的生產(chǎn)線。這甚至使得ALU能夠在完成前一次運算前就接受新的數(shù)字。這使得ALU能夠以與單時鐘脈沖同樣的速度產(chǎn)生數(shù)字，雖然從ALU輸出的結(jié)果有一個初始延遲。這被稱為計算流水線。設(shè)計一個復雜的ALU，它能夠計算分幾步計算一個數(shù)字的平方根。這被稱為互動計算，經(jīng)常依賴于帶有嵌入式微碼的復雜控制單元。在處理器中設(shè)計一個簡單的ALU，去掉一個昂貴的專門用于此運算的處理器，再選擇以上三個選項之一。這被稱為協(xié)處理器。告訴編程人員沒有協(xié)處理器和仿真設(shè)備，于是他們必須自己寫出算法來用軟件計算平方根。輸入和輸出ALU的輸入是要進行操作的數(shù)據(jù)（稱為操作數(shù)）以及來自控制單元的指令代碼，用來指示進行哪種運算。它的輸出即為運算結(jié)果。在許多設(shè)計中ALU也接收或發(fā)出輸入或輸出條件代碼到（或來自）狀態(tài)寄存器。這些代碼用來指示一些情況，比如進位或借位、溢出、除數(shù)為零等。ALU與FPU浮點單元也對兩個數(shù)值進行算術(shù)運算，但是這種運算已浮點數(shù)表示，比在ALU中一般使用的補碼表示方式復雜的多。為了完成此類運算，F(xiàn)PU里嵌入了多個復雜電路，包括一些內(nèi)部ALU。工程師一般認為ALU是處理整數(shù)型（比如補碼和BCD碼）算術(shù)運算的的電路，而對更為復雜的格式（比如浮點型、復數(shù)型）進行計算的電路則擁有一個更加匹配的稱謂。

特點特點ALU用以計算機指令集中的執(zhí)行算術(shù)與邏輯操作;某些處理器中，將ALU切分為兩部分，即算術(shù)單元（AU）與邏輯單元（LU）。某些處理器包含一個以上的AU，如，一個用來進行定點操作，另一個進行浮點操作。（個人計算機中，浮點操作有時由被稱為數(shù)字協(xié)處理器的浮點單元完成）。通常而言，ALU具有對處理器控制器、內(nèi)存及輸入輸出設(shè)備的直接讀入讀出權(quán)限。輸入輸出是通過總線進行的。輸入指令包含一個指令字，有時被稱為機器指令字，其中包括操作碼，單個或多個操作數(shù)，有時還會有格式碼；操作碼指示ALU機要執(zhí)行什么操作，在此操作中要執(zhí)行多少個操作數(shù)。比如，兩個操作數(shù)可以進行比較，也可以進行加法操作。格式碼可與操作碼結(jié)合，告知這是一個定點還是浮點指令；輸出包括存放在存儲寄存器中的結(jié)果及顯示操作是否成功的設(shè)置。如操作失敗，則在機器狀態(tài)字中會有相應(yīng)的狀態(tài)顯示。通常，輸入操作數(shù)、操作數(shù)、累加和以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的存儲位置都在ALU中。在算術(shù)單元中，乘除操作是通過一系列的加減運算得到的。在機器碼中有多種方式用以表示負數(shù)。在邏輯單元中，每次執(zhí)行16個可能的邏輯運算中的一個