ALU (LOGICKÁ ARITMETICKÁ JEDNOTKA): OPERACE A ARCHITEKTURA - TECHNOLOGIE - 2025

ALU (aritmeticko-logická jednotka) je elektronický obvod, jehož úkolem je provádět veškeré procesy související s postupy logiky a numerické výpočty. Je uvedena jako nezbytná součást centrální procesorové jednotky (CPU) počítačů.

Poslední CPU zahrnují velmi výkonné a komplexní ALU. V některých strukturách CPU je ALU rozdělena na aritmetickou jednotku a logickou jednotku. Dnešní procesory obsahují kromě ALU také řídicí jednotku.

Zdroj: CC BY-SA 3.0, Většinu operací CPU provádí jedna nebo více ALU, když jsou data načítána ze vstupních registrů. Registr je malé volné místo k uložení jako součást CPU.

Řídicí jednotka sdělí ALU, jaký postup má s těmito informacemi spustit, a uloží výsledek do výstupního registru. Řídicí jednotka provádí přenos informací mezi registry, ALU a pamětí.

Jak se postupy stávají složitějšími, ALU bude také zabírat více místa CPU, stát více a generovat více tepla.

Operace prováděné ALU

ALU je primárně věnována provádění logických a matematických operací, včetně operací s bitovým posuvem. Toto jsou základní procesy, které musí být provedeny téměř na všech datech, která CPU zpracovává.

Logická aritmetická jednotka je ta součást CPU, která provádí všechny výpočty, které CPU může potřebovat. Je to „výpočetní“ část počítače, protože provádí základní aritmetické a logické operace.

Většina postupů má logický charakter. Podle konstrukce ALU může být procesoru přidělen větší výkon. To však také způsobí, že budete používat více energie a produkujete více tepla.

Různé operace prováděné ALU lze klasifikovat takto:

Logické operace

Zde jsou různé logické operace, jako AND, OR, NOT, XOR, NOR, NAND atd.

Aritmetické operace

Odkazuje na sčítání a odečítání bitů. Ačkoli se někdy používá násobení a dělení, provádění těchto operací je dražší.

Opakované sčítání může být také použito k nahrazení násobení a opakované odčítání k nahrazení dělení.

Operace bitového posuvu

Vztahuje se na posun bitových pozic na určitém počtu míst doprava nebo doleva, což je považováno za multiplikační operaci.

Aritmetická a logická jednotka

V aritmetické jednotce se násobení a dělení provádí řadou operací sčítání nebo odčítání a posunutím bitů. Existuje několik způsobů, jak reprezentovat záporná čísla.

Na logické jednotce lze provést libovolnou ze 16 možných logických operací. Například kontrast dvou operandů nebo rozpoznání, kde se bity neshodují.

ALU architektura

ALU má přímý přístup jak ke vstupu, tak k výstupu do řídicí jednotky procesoru, hlavní paměti a vstupních a výstupních zařízení.

Vstupní a výstupní data jsou přenášena elektronickou cestou nazývanou sběrnice. Vstup odpovídá instrukci, která obsahuje jeden nebo více operandů, kód operace a v některých případech formátový kód.

Operační kód ukazuje ALU, jakou akci má provést, kromě operandů zapojených do této operace. Například můžete dát pokyn dvěma operandům, aby byly odečteny nebo porovnány.

Výstup se skládá z výsledku, který bude umístěn do registru úložiště a konfigurace, která bude indikovat, zda byla operace úspěšná. Pokud ne, bude ve stavu stroje uložen nějaký stav.

Bitový tok a operace na něm prováděné v podjednotkách ALU jsou řízeny obvody brány.

V těchto obvodech je logická jednotka sekvence ta, která řídí brány, přes specifickou sekvenci, která odpovídá každému provoznímu kódu.

Logické brány

Všechny informace v počítači jsou uloženy a zpracovány ve formě binárních čísel, tj. 0 a 1. Tranzistorové spínače se používají k manipulaci s binárními čísly, protože ve spínači jsou pouze dva možné stavy: otevřený nebo Zavřeno.

Otevřený tranzistor, kterým prochází žádný proud, představuje 0. Uzavřený tranzistor, kterým prochází proud, představuje 1.

Operace lze provést připojením více tranzistorů. Jeden tranzistor lze použít k pohonu druhého tranzistoru. Například přepínač pro jeden tranzistor se zapíná nebo vypíná v závislosti na stavu druhého tranzistoru.

Toto je známé jako brána, protože toto uspořádání může být použito pro povolení nebo zastavení elektrického proudu.

Brány jsou stavebními kameny ALU. Jsou vyrobeny z diod, rezistorů nebo tranzistorů. Tyto brány se používají v integrovaném obvodu k reprezentaci binárního vstupu ve stavu „zapnuto“ a „vypnuto“.

ALU je konfigurována kombinačním obvodem. Tento obvod používá logická hradla jako AND, OR, NOT pro svoji konformaci.

A brána

Brána AND má dva nebo více vstupů. Výstup AND brány je 1, pokud jsou všechny vstupy 1. Brána AND vrátí 0, pokud některý ze vstupních dat je 0.

NEBO brána

Brána OR může mít dva nebo více vstupů. Výstup brány OR bude vždy 1, pokud některý ze vstupů je 1 a 0, pokud jsou všechny vstupy 0.

NE brány

Nejjednodušším typem operace je brána NOT. Používá pouze jeden tranzistor. Používá jeden vstup a vytváří jediný výstup, který je vždy opakem vstupu.

Brána NOT se používá k obrácení výsledku bran nebo k invertování booleovského stavu z 0 na 1 a od 1 do 0. Používá se také u brány "AND" a "OR".

Při použití ve spojení s bránou AND nebo „OR“ je brána NOT představována malým kroužkem před oběma branami.

Po použití brány NOT se brány AND stanou NAND a brány OR se stanou NOR.

Evidence

Jsou velmi důležitou součástí v ALU pro ukládání instrukcí, mezilehlých dat, vstupních operandů, přidaných operandů, kumulovaného výsledku, který je uložen v akumulátoru, a konečného výsledku.

Registry poskytují velmi rychlý přístup k paměti ve srovnání s mezipamětí, RAM a pevným diskem. Jsou postaveny v procesoru a jsou malé.

Reference

1. Paul Zandbergen (2019). Aritmetická logická jednotka (ALU): Definice, konstrukce a funkce. Studie. Převzato z: study.com.
2. Techopedia (2019). Aritmetická logická jednotka (ALU). Převzato z: stroppedia.com.
3. Margaret Rouse (2019). Aritmeticko-logická jednotka (ALU). Techtarget. Převzato z: whatis.techtarget.com.
4. Dinesh Thakur (2019). Co je aritmetická logická jednotka (ALU)? - Definice a význam. Poznámky k počítači. Převzato z: ecomputernotes.com.
5. Wikipedia, encyklopedie zdarma (2019). Aritmetická logická jednotka. Převzato z: en.wikipedia.org.