Als metaphorisches Gehirn eines Computers führt eine arithmetische Logikeinheit (ALU) alle Rechen- und Vergleichsoperationen durch. Die ALU dient als Grundlage für Zentraleinheiten (CPUs), Grafikprozessoren (GPUs) und Gleitkommaeinheiten (FPUs). Eine einfache ALU verfügt über drei Datenbusse: zwei Einzelbitoperanden (A und B), die zu einem Ausgang (Y) führen.
Geschichte der ALU
Die ALU wurde 1945 von dem Mathematiker John von Neumann ins Leben gerufen, der vor allem für seine Entwicklung der Von Neumann-Architektur bekannt ist. Neumanns Maschinen führten gespeicherte Programme ein und führten Anweisungen nacheinander aus. Dies führte zu einem begrenzten Durchsatz und einer begrenzten Leistung.
In den 1970er Jahren gab der Intel 74181 den heutigen Single-Chip-Mikroprozessoren Platz. Die 4-Bit-ALU enthielt das Äquivalent von 75 Logikgattern und war die erste, die in einem einzigen Paket existierte. Die heutigen ALUs sind komplexer und verfügen über zusätzliche Funktionen wie Barrel Shifter und binäre Multiplikatoren, sodass sie in kürzerer Zeit ein höheres Volumen komplexerer Operationen ausführen können.
Arten von ALU-Operationen
Es gibt vier Arten von Binäreingangskombinationen, wobei 1 für wahr und 0 für falsch steht:
- 0 + = 0 0
- 1 + = 0 1
- 0 + = 1 1
- 1 + = 1 0
Die vierte Eingangskombination führt zu einem Übertrag, für den eine Operation erforderlich ist. Es gibt acht Arten von grundlegenden arithmetischen Operationen, die alle ALUs unterstützen:
- ADD
- Mit CARRY HINZUFÜGEN
- SUBTRAHIEREN
- SUBTRAKTIEREN SIE MIT BORROW
- ERHÖHUNG
- VERRINGERUNG
- NEGIEREN
- DURCHLAUFEN
Komplexere ALUs mit mehr Logikgattern (wie bei Smartphones und Laptops) können auch Multiplikations- und Divisionsoperationen ausführen.
Auf der anderen Hälfte der Einheit werden logische Operationen verwendet, um die Ausgänge dieser Schaltungen zu validieren oder zu modifizieren. Bitweise Logikoperationen umfassen:
- NICHT
- UND
- OR
- XOR (Exklusiv-ODER)