ALU (unidad lógica aritmética): definición, función y más

ALU (Unidad Aritmética Lógica) es un circuito digital que se utiliza para realizar operaciones aritméticas y lógicas. Realiza el bloque de construcción fundamental de la unidad central de procesamiento (CPU) de una computadora. Las CPU actuales contienen ALU muy potentes y complejas. Además de las ALU, las CPU modernas contienen una unidad de control (CU). La mayoría de las operaciones de una CPU son ejecutadas por una o más ALU, que cargan datos de registros de entrada. Un registro es una pequeña cantidad de almacenamiento accesible como parte de una CPU. La unidad de control le dice a la ALU qué operación realizar con esos datos, y la Unidad Aritmética Lógica almacena el resultado en un registro de salida.

La unidad de control mueve los datos entre estos registros, la ALU y la memoria. Las entradas a una ALU son los datos sobre los que se va a regular, llamados operandos, y el código señala la operación a realizar; La salida de la ALU es el resultado de la operación realizada. En muchos diseños, la ALU también tiene entradas o salidas de estado, o ambas, que transmiten instrucciones sobre una operación anterior o la operación actual, respectivamente, entre la ALU y los registros de estado externos.

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ALU (Unidad Aritmética Lógica)
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ALU (Unidad Aritmética Lógica)

Una unidad lógica aritmética (ALU) es un circuito electrónico automático digital conjunto que realiza operaciones aritméticas y bit a bit en números binarios enteros. Esto contrasta con una unidad de punto flotante (FPU), que opera con números de punto flotante. Una ALU es un componente importante de muchos tipos de rutas informáticas, incluida la unidad central de procesamiento (CPU) de las computadoras, las FPU y las unidades de control de gráficos de computadora (GPU). Una sola CPU, FPU o GPU puede contener varias ALU.

ALU ALU

Señales

Una ALU tiene una variedad de redes de entrada y salida, que son los conductores eléctricos que se utilizan para transmitir señales digitales entre la ALU y los circuitos externos. Cuando una ALU está funcionando, los circuitos externos aplican señales a las entradas de la ALU y, en respuesta, la ALU produce y transmite señales a los circuitos externos a través de sus salidas.

Datos

Una ALU básica tiene tres buses de datos paralelos que subsisten de dos operandos de entrada (A y B) y una salida de resultado (Y). Cada bus de datos es un grupo de señales que transmite un número entero binario. Normalmente, los anchos de bus A, B e Y (el número de señales que componen cada bus) son idénticos y coinciden con el tamaño de palabra nativa de los circuitos externos.

Código de operación

La entrada del código de operación es un bus paralelo que transmite a la ALU un código de opción de operación, que es un valor enumerado que especifica la operación aritmética o lógica deseada que debe realizar la ALU. El tamaño del código de operación (su ancho de bus) resuelve el número máximo de operaciones diferentes que la ALU puede funcionar; por ejemplo, un código de operación de cuatro bits puede especificar hasta dieciséis operaciones ALU diferentes. Generalmente, un código de operación ALU no es lo mismo que un código de operación en lenguaje máquina, sin embargo, en algunos casos, puede estar codificado directamente como un campo de bits dentro de un código de operación en lenguaje máquina.

Estado

Salidas

Las salidas de estado son varias señales individuales que transmiten información de apoyo sobre el resultado de la operación actual de la ALU. Las ALU de uso general suelen tener señales de estado como:

CArry-out, que transmite el acarreo emergente de una operación de suma, el préstamo resultante de una operación de resta o el bit de desbordamiento resultante de una operación de desplazamiento binario.

Zero, que expresa que todos los bits de Y son cero lógico.

norteegative, que expresa el resultado de una operación aritmética es negativo.

Overflow, que expresa el resultado de una operación aritmética ha excedido el rango numérico de Y.

PAGaridad, que expresa si un número par o impar de bits en Y es uno lógico.

AAl final de cada operación de ALU, las señales de salida de estado generalmente se almacenan en registros externos para que estén disponibles para futuras operaciones de ALU (por ejemplo, para implementar aritmética de precisión múltiple) o para controlar la bifurcación condicional. La colección de registros de bits que almacenan las salidas de estado a menudo se trata como un registro único de varios bits, que se denomina “registro de estado” o “registro de código de condición”.

Entradas

Las entradas de estado permiten que la ALU disponga de información adicional al realizar una operación. Normalmente, se trata de un único bit de “transferencia” que es la transferencia almacenada de una operación de ALU anterior.

Elementos ALU

Elementos funcionales

Un sistema informático digital típico tiene cuatro elementos funcionales básicos

(1) equipo de entrada-salida,

(2) memoria principal,

(3) la unidad de control

(4) unidad aritmético-lógica

Elementos ALU

Se utiliza cualquiera de varios dispositivos para ingresar datos e instrucciones de programa en una computadora y para obtener acceso a los resultados de la operación de procesamiento. Los dispositivos de entrada comunes incluyen teclados y escáneres ópticos; los dispositivos de salida incluyen impresoras y monitores. La información recibida por una computadora desde su unidad de entrada se almacena en la memoria principal o, si no para uso inmediato, en un dispositivo de almacenamiento auxiliar. La unidad de control selecciona y llama instrucciones de la memoria en la secuencia apropiada y transmite los comandos apropiados a la unidad apropiada.

También sincroniza las variadas velocidades de funcionamiento de los dispositivos de entrada y salida con la de la unidad aritmético-lógica para garantizar el movimiento adecuado de los datos a través de todo el sistema informático. La ALU realiza los algoritmos aritméticos y lógicos seleccionados para procesar los datos entrantes a velocidades extremadamente altas, en muchos casos en nanosegundos (mil millonésimas de segundo). La memoria principal, la unidad de control y la ALU juntas forman la unidad central de procesamiento (CPU) de la mayoría de los sistemas informáticos digitales, mientras que los dispositivos de entrada y salida y las unidades de almacenamiento auxiliares constituyen el equipo periférico.

Unidad Central de procesamiento

La CPU proporciona los circuitos que implementan el conjunto de instrucciones de la computadora en su lenguaje de máquina. Está compuesto por una unidad aritmético-lógica y circuitos de control. La ALU lleva a cabo operaciones aritméticas y lógicas básicas, y la sección de control determina la secuencia de operaciones, incluidas las instrucciones de bifurcación que transfieren el control de una parte de un programa a otra. Aunque la memoria principal alguna vez se consideró parte de la CPU, hoy se considera separada. Sin embargo, los límites cambian y los chips de la CPU ahora también contienen algo de memoria caché de alta velocidad donde los datos y las instrucciones se almacenan temporalmente para un acceso rápido.

Funcionamiento de ALU

La Unidad Aritmética Lógica tiene circuitos que suman, restan, multiplican y dividen dos valores aritméticos, así como circuitos para operaciones lógicas como Y y O (donde un 1 se interpreta como verdadero y un 0 como falso, de modo que, por ejemplo , 1 Y 0 = 0; ver Álgebra de Boole). La ALU tiene de varios a más de cien registros que contienen temporalmente los resultados de sus cálculos para operaciones aritméticas posteriores o para transferirlos a la memoria principal.

Los circuitos de la sección de control de la CPU proporcionan instrucciones de bifurcación, que toman decisiones elementales sobre qué instrucción ejecutar a continuación. Por ejemplo, una instrucción de bifurcación podría ser “Si el resultado de la última operación de ALU es negativo, salte a la ubicación A en el programa; de lo contrario, continúe con la siguiente instrucción “. Tales instrucciones permiten decisiones “si-entonces-si no” en un programa y la ejecución de una secuencia de instrucciones, como un “ciclo-while” que repetidamente ejecuta algún conjunto de instrucciones mientras se cumple alguna condición. Una instrucción relacionada es la llamada de subrutina, que transfiere la ejecución a un subprograma y luego, una vez finalizado el subprograma, regresa al programa principal donde se detuvo.

¿Qué componente de un procesador contiene instrucciones a la espera de ser procesadas por la ALU?

Los componentes de la CPU no son los más fáciles de entender. Simplemente están sucediendo demasiadas cosas en esas pequeñas cosas. Un aspirante a estudiante de CPU puede preguntarse qué componente de un procesador que contiene instrucciones a la espera de ser procesadas por la ALU.

La respuesta simple son los niveles de caché o RAM. Sin embargo, la RAM no forma parte del procesador; las memorias de nivel de caché son PARTE del procesador. Otra perspectiva en profundidad le diría que está almacenado en Registros. Específicamente, los registros acumuladores. El lugar inmediato de donde la Unidad Aritmética Lógica obtiene datos son los registros. Antes de los acumuladores, la instrucción se almacena en los registros de instrucciones actuales y antes de eso, se mueve a los registros de datos de la memoria y antes de eso, se almacena en la memoria caché o en la RAM. Estoy seguro de que te he confundido. En resumen, estos son los pasos:

Pasos para obtener instrucciones para comunicarse con ALU

Generalmente, los siguientes componentes se activan en secuencia antes de que la instrucción / los datos lleguen a la ALU.

Caché / RAM
Registros de datos de memoria
Registros de instrucción actuales
UPC
Registro acumulador
ALU

Como puede ver, el componente que contiene los datos JUSTO antes de ALU NO es el Caché / RAM, es el Registro Acumulador.

¿Dónde se encuentra la ALU?

Una unidad aritmética permite a las computadoras realizar operaciones matemáticas con números binarios. Se encuentran en el corazón de cada computadora digital y son una de las partes más importantes de una CPU (Unidad Central de Procesamiento).

¿Cuáles son los componentes de ALU?

La forma completa de ALU es la unidad lógica aritmética que toma los datos de los registros de memoria; la Unidad Aritmética Lógica contiene el circuito lógico para realizar operaciones matemáticas como resta, suma, multiplicación, división, operaciones lógicas y cambios lógicos en los valores contenidos en los registros del procesador o su acumulador.

¿La unidad aritmética lógica es hardware o software?

Además de las ALU, las CPU modernas contienen una unidad de control (CU). Una Unidad Aritmética Lógica realiza operaciones aritméticas básicas, ejemplos de operaciones aritméticas son suma, resta, multiplicación y división.

¿Qué son la Unidad Aritmética Lógica y Cu en la computadora?

La Unidad Aritmética Lógica y la CU son el corazón de la CPU. La Unidad Aritmética y Lógica realiza todas las operaciones aritméticas y lógicas como suma, resta, Y lógico, O, etc. CU es la Unidad de Control. Decodifica las instrucciones y controla todos los demás componentes internos de la CPU para que funcione.