ALU (unidade aritmética lógica): operações e arquitetura

A ALU (unidade aritmética lógica) é um circuito eletrônico cuja função é realizar todos os processos relacionados aos procedimentos de cálculo lógico e numérico. Ele aparece como um componente indispensável da unidade central de processamento (CPU) dos computadores.

CPUs recentes incluem ALUs muito poderosas e complexas. Em algumas estruturas de CPU, a ALU é dividida em uma unidade aritmética e uma unidade lógica. Além da ALU, as CPUs atuais incluem uma unidade de controle.

ALU (unidade aritmética lógica): operações e arquitetura 1

Fonte: CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=168473

A maioria das operações de uma CPU é realizada por uma ou mais ALUs, quando os dados são carregados dos registros de entrada. Um registro é um pequeno espaço livre para armazenar como parte de uma CPU.

A unidade de controle informa à ALU qual procedimento executar com essas informações e salva o resultado em um registro de saída. A unidade de controle transfere as informações entre os registradores, a ULA e a memória.

À medida que os procedimentos se tornam mais complexos, a ALU também ocupará mais espaço na CPU, terá um custo mais alto e gerará mais calor.

Operações realizadas pela ULA

A ALU está envolvida principalmente em operações lógicas e matemáticas, incluindo operações de troca de bits. Estes são processos fundamentais que devem ser executados em quase todos os dados processados ​​pela CPU.

A unidade aritmética lógica é o componente da CPU que executa todos os cálculos que a CPU possa precisar. É a parte da “calculadora” do computador, pois executa operações aritméticas e lógicas básicas.

Muitos dos procedimentos são lógicos. De acordo com o design da ALU, a CPU pode receber mais energia . No entanto, também fará você gastar mais energia e produzir mais calor.

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As diferentes operações realizadas pela ULA podem ser classificadas da seguinte forma:

Operações lógicas

Aqui estão as diferentes operações lógicas, como AND, OR, NOT, XOR, NOR, NAND, etc.

Operações aritméticas

Refere-se à adição e subtração de bits. Embora a multiplicação e a divisão às vezes sejam usadas, essas operações são mais caras de executar.

Adições repetitivas também podem ser usadas para substituir a multiplicação e subtrações repetitivas para substituir a divisão.

Operações de deslocamento de bits

Refere-se ao deslocamento das posições dos bits em um certo número de lugares para a direita ou para a esquerda, o que é considerado uma operação de multiplicação.

Unidade aritmética e lógica

Na unidade aritmética, a multiplicação e a divisão são realizadas por meio de uma série de operações de adição ou subtração e com o deslocamento dos bits. Existem várias maneiras de representar números negativos.

Qualquer uma das 16 operações lógicas possíveis pode ser realizada na unidade lógica. Por exemplo, contraste dois operandos ou reconheça onde os bits não coincidem.

Arquitetura ALU

A ALU pode acessar diretamente a entrada e a saída da unidade de controle do processador, memória principal e dispositivos de entrada e saída.

Os dados de entrada e saída são transmitidos através de uma rota eletrônica chamada barramento. A entrada corresponde a uma instrução, que inclui um ou mais operandos, um código de operação e, em alguns casos, um código de formato.

O código da operação mostra à ULA que ação deve ser executada, além dos operandos envolvidos nessa operação. Por exemplo, isso pode indicar que os dois operandos são subtraídos ou comparados.

A saída consiste em um resultado que será colocado em um registro de armazenamento e em uma configuração que indicará se a operação foi bem-sucedida. Caso contrário, algum tipo de estado será armazenado no estado da máquina.

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O fluxo de bits e as operações executadas neles nas subunidades da ALU são controlados por circuitos de porta.

Nesses circuitos, uma unidade de sequência lógica é aquela que direciona os portões, através de uma sequência específica que corresponde a cada código de operação.

Portões lógicos

Todas as informações em um computador são armazenadas e manipuladas na forma de números binários, ou seja, 0 e 1. Os comutadores transistor são usados ​​para manipular números binários, uma vez que existem apenas dois estados possíveis em um comutador: aberto ou fechado.

Um transistor aberto, através do qual nenhuma corrente passa, representa um 0. Um transistor fechado, através do qual a corrente passa, representa um 1.

É possível realizar operações conectando vários transistores. Um transistor pode ser usado para controlar um segundo transistor. Por exemplo, o interruptor de um transistor liga ou desliga, dependendo do estado de um segundo transistor.

Isso é conhecido como portão, porque esse arranjo pode ser usado para permitir ou parar a corrente elétrica.

As comportas são os alicerces da ULA. Eles são construídos a partir de diodos, resistores ou transistores. Esses portões são usados ​​no circuito integrado para representar uma entrada binária como status “ligado” e “desligado”.

A ULA é configurada através de um circuito combinatório. Este circuito usa portas lógicas como AND, OR, NOT para sua conformação.

E portão

O portão AND possui duas ou mais entradas. A saída da porta AND é 1 se todas as entradas forem 1. A porta AND fornece 0 como resultado se algum dos dados de entrada for 0.

OU portão

O portão OR pode ter duas ou mais entradas. A saída da porta OR será sempre 1 se alguma das entradas for 1 e 0 se todas as entradas forem 0.

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NÃO portão

O tipo mais simples de operação é um portão NOT. Ele usa apenas um único transistor. Ele usa uma única entrada e produz uma única saída, que é sempre o oposto da entrada.

A porta NOT é usada para reverter o resultado das portas ou reverter o estado booleano de 0 para 1 e de 1 para 0. Também é usada com as portas “AND” e “OR”.

Quando usado em conjunto com o portão AND ou “OR”, o portão NOT é representado por um pequeno círculo na frente dos dois portões.

Depois de usar a porta NOT, as portas AND se tornam NAND e as portas “OR” se tornam NOR.

Logs

Eles são um componente muito importante na ALU para armazenar instruções, dados intermediários, os operandos de entrada, os operandos adicionados, o resultado acumulado, que é armazenado em um acumulador e o resultado final.

Os logs fornecem acesso muito rápido à memória, quando comparados ao cache, RAM e disco rígido. Eles são construídos na CPU e são pequenos.

Referências

  1. Paul Zandbergen (2019). Unidade Lógica Aritmética (ALU): Definição, Design e Função. Estudo Retirado de: study.com.
  2. Techopedia (2019). Unidade Lógica Aritmética (ALU). Retirado de: techopedia.com.
  3. Margaret Rouse (2019). Unidade aritmética-lógica (ALU). Techtarget Retirado de: whatis.techtarget.com.
  4. Dinesh Thakur (2019). O que é Unidade Lógica Aritmética (ALU)? – Definição e significado. Notas do computador Retirado de: ecomputernotes.com.
  5. Wikipedia, a enciclopédia livre (2019). Unidade lógica aritmética. Retirado de: en.wikipedia.org.

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