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算術邏輯單元

簡介

算術邏輯單元是中央處理器(CPU)的執行單元,是所有中央處理器的核心組成部分,由"And Gate"(與門) 和"Or Gate"(或門)構成的算術邏輯單元,主要功能是進行二位元的算術運算,如加減乘(不包括整數除法)。基本上,在所有現代CPU體系結構中,二進制都以補碼的形式來表示。

發展

算術邏輯單元(arithmetic logic unit,縮寫ALU)是進行整數運算的結構。現階段是用電路來實現,應用在電腦芯片中。在計算機中,算術邏輯單元(ALU)是專門執行算術和邏輯運算的數字電路。 ALU是計算機中央處理器的最重要組成部分,甚至連最小的微處理器也包含ALU作計數功能。在現代CPU和GPU處理器中已含有功能強大和復雜的ALU;一個單一的元件也可能含有ALU。 1945年數學家馮諾伊曼在一篇介紹被稱為EDVAC的一種新型電腦的基礎構成的報告中提出ALU的概念。早期發展

1946年,馮諾伊曼與同事合作為普林斯頓高等學習學院(IAS)設計計算機。隨後IAS計算機成為​​後來計算機的原形。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學運算,包括加減乘除。於是他相信「(計算機)應該含有專門完成此類運算的部件。」

數字系統

ALU必須與數字電路的其他部分使用同樣的格式來進行數字處理。對現代處理器而言,數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字系統,包括反碼、符號數值碼,甚至是十進制碼,每一位用十個管子。以上這每一種數字系統所對應的ALU都有不同的設計,而這也影響了當前對二進制補碼的優先選擇,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。

可行性分析

絕大部分計算機指令都是由ALU執行的。 ALU從寄存器中取出數據。數據經過處理將運算結果存入ALU輸出寄存器中。其他部件負責在寄存器與內存間傳送數據。控制單元控制著ALU,通過控制電路來告訴ALU該執行什麼操作。

簡單運算

大部分ALU都可以完成以下運算∶  整數算術運算(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。

複雜運算

工程師可設計能完成任何運算的ALU,不論運算有多複雜;問題在於運算越複雜,ALU成本越高,在處理器中佔用的空間越大,消耗的電能越多。於是,工程師們經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設計的太複雜而價格昂貴。設想你需要計算一個數的平方根,數字工程師將評估以下的選項來完成此操作∶  設計一個極度複雜的ALU,它能夠一步完成對任意數字的平方根運算。這被稱為單時鐘脈衝計算。設計一個非常複雜的ALU,它能夠分幾步完成一個數字的平方根運算。不過,這裡有個訣竅,中間結果經過一連串電路,就像是工廠裡的生產線。這甚至使得ALU能夠在完成前一次運算前就接受新的數字。這使得ALU能夠以與單時鐘脈衝同樣的速度產生數字,雖然從ALU輸出的結果有一個初始延遲。這被稱為計算流水線。設計一個複雜的ALU,它能夠計算分幾步計算一個數字的平方根。這被稱為互動計算,經常依賴於帶有嵌入式微碼的複雜控制單元。在處理器中設計一個簡單的ALU,去掉一個昂貴的專門用於此運算的處理器,再選擇以上三個選項之一。這被稱為協處理器。告訴編程人員沒有協處理器和仿真設備,於是他們必須自己寫出算法來用軟件計算平方根。這是由軟件庫完成的。對協處理器進行仿真,也就是說,只要一個程序想要進行平方根的計算,就讓處理器檢查當前有沒有協處理器。如果有的話就使用其進行計算,如果沒有的話,中斷程序進程並調用操作系統通過軟件算法來完成平方根的計算。這被稱為軟件仿真。以上給出的選項按最快和最貴到最慢和最經濟排列。於是,雖然甚至是最簡單的計算機也能計算最複雜的公式,但是最簡單的計算機經常需要耗費大量時間,通過若干步才能完成。強大的處理器,比如英特爾酷睿和AMD64系列對一些簡單的運算採用1號選項,對最常見的複雜運算採用2號選項,對極為複雜的運算採用3號選項。這是具有在處理器中構造非常複雜的ALU的能力為前提的。

輸入和輸出

ALU的輸入是要進行操作的數據(稱為操作數)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果。在許多設計中ALU也接收或發出輸入或輸出條件代碼到(或來自)狀態寄存器。這些代碼用來指示一些情況,比如進位或借位、溢出、除數為零等。

ALU與FPU

浮點單元也對兩個數值進行算術運算,但是這種運算已浮點數表示,比在ALU中一般使用的補碼表示方式複雜的多。為了完成此類運算,FPU裡嵌入了多個複雜電路,包括一些內部ALU。工程師一般認為ALU是處理整數型(比如補碼和BCD碼)算術運算的的電路,而對更為複雜的格式(比如浮點型、複數型)進行計算的電路則擁有一個更加匹配的稱謂。

算術邏輯單元

ALU用以計算機指令集中的執行算術與邏輯操作;

某些處理器中,將ALU切分為兩部分,即算術單元(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字協處理器的浮點單元完成)。

通常而言,ALU具有對處理器控制器、內存及輸入輸出設備的直接讀入讀出權限。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,有時還會有格式碼;操作碼指示ALU機要執行什麼操作,在此操作中要執行多少個操作數。比如,兩個操作數可以進行比較,也可以進行加法操作。格式碼可與操作碼結合,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果及顯示操作是否成功的設置。如操作失敗,則在機器狀態字中會有相應的狀態顯示。

通常,輸入操作數、操作數、累加和以及轉換結果的存儲位置都在ALU中。在算術單元中,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。

在邏輯單元中,每次執行16個可能的邏輯運算中的一個。

ALU的設計是處理器設計中的關鍵部分。仍在不斷研究如何提高指令的處理速度。


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