Dodaj tę stronę do książki
Pokaż książkę (0 stron)
Proponowane strony
Jednostka arytmetyczno-logiczna (z ang. Arithmetic and Logical Unit lub Arithmetic Logic Unit, ALU) to jedna z głównych części procesora, prowadząca proste operacje na liczbach całkowitych.
ALU jest układem cyfrowym, służącym do wykonywania operacji arytmetycznych (takich jak dodawanie, odejmowanie itp.), operacji logicznych (np. Ex-Or) pomiędzy dwiema liczbami oraz operacje jednoargumentowe takie jak przesunięcie bitów, negacja. ALU jest podstawowym blokiem centralnej jednostki obliczeniowej komputera.
Typowe ALU ma dwa wejścia odpowiadające parze argumentów i jedno wyjście na wynik. Operacje jakie prowadzi to:
Przyczyną dla której operacje te grupuje się w ALU jest to, że bramek logicznych potrzebnych do zaimplementowania wszystkich operacji z zestawu: dodawanie (z przeniesieniem i bez), odejmowanie (z przeniesieniem i bez), negacja liczby, zwiększanie i zmniejszanie o 1, AND, OR, NOT, XOR jest niewiele więcej od zaimplementowania samego dodawania. Szybkie mnożenie wymaga znacznie więcej, a dzielenie jeszcze więcej bramek w porównaniu do tych operacji.
Klasyczne procesory zawierały jedno ALU. Procesory o architekturze superskalarnej zawierają kilka ALU, i mogą ich używać jednocześnie. Często ALU te są nieidentyczne ─ np. z trzech ALU wszystkie potrafią wykonywać podstawowe operacje (dodawanie, odejmowanie i logiczne), a jedynie jedno potrafi mnożyć i dzielić. Taki procesor w jednym cyklu może wykonać np. 1 mnożenie i 2 dodawania, nie może natomiast wykonać 2 mnożeń. Jest to uzasadnione, ponieważ typowy program wykonuje o wiele więcej dodawań (często niejawnych dla programisty, np. przy wyliczaniu adresu pola obiektu na podstawie adresu obiektu czy zmiennej, której położenie jest określone względem rejestru adresowania niż mnożeń.
Spis treści |
Dotychczas, najbardziej złożonymi obwodami elektronicznymi są te wbudowane wewnątrz układów współczesnych mikroprocesorów. Dlatego też, takie procesory zawierają w sobie potężne i bardzo złożone ALU. W rzeczywistości, nowoczesny mikroprocesor (bądź komputer główny) może posiadać wielokrotne rdzenie, każdy rdzeń z wielokrotnymi jednostkami wykonawczymi, każda jednostka wykonawcza z wielokrotnymi ALU.
Wiele innych układów może mieścić w sobie ALU: GPU (jednostka przetwarzania graficznego) jak ta w kartach graficznych nVidia czy ATI, FPU (jednostka obliczeń zmiennoprzecinkowych) w znanym koprocesorze 80387 oraz procesor przetwarzania sygnałów cyfrowych w karcie dźwiękowej Sound Blaster, odtwarzacze CD i odbiorniki telewizyjne HD. Wszystkie z nich posiadają kilka potężnych i złożonych jednostek arytmetyczno-logicznych.
Matematyk John von Neumann zaproponował model ALU w 1945 roku, kiedy to sporządził spis założeń dla nowego komputera EDVAC (z ang. Electronic Discrete Variable Automatic Computer, czyli elektroniczny komputer maszynowy o zmiennych nieciągłych). Później w 1946 r. pracował ze swoimi kolegami nad stworzeniem komputera dla Princeton Institute of Advanced Studies (IAS). Komputer IAS stał się prototypem dla wielu późniejszych komputerów. W swoim projekcie, von Neumann nakreślił co według niego będzie niezbędne w komputerze, uwzględniając ALU.
Von Neumann oświadczył iż ALU jest niezbędna dla komputera, ponieważ pewnym jest, że komputer będzie musiał wykonywać podstawowe operacje matematyczne, obejmujące dodawanie, odejmowanie, mnożenie oraz dzielenie. Dlatego też twierdził, że „rozsądnym jest, aby komputer mieścił w sobie wyspecjalizowane organy dla tych operacji”.
ALU musi wykonywać działania na liczbach używając tego samego formatu co reszta układu cyfrowego. Dla współczesnych procesorów liczby są prezentowane w kodzie binarnym jako liczby nieujemne, a liczby całkowite (ujemne) są przedstawiane w kodzie uzupełnień do dwóch. Wcześniejsze komputery używały szerokiej gamy systemów numerycznych, włącznie z dopełnieniem jedynki, BCD, formatem ze znaczeniem znaku, a nawet rzeczywistymi systemami dziesiętnymi, z dziesięcioma miejscami po przecinku.
Jednostki ALU dla każdego z tych systemów numerycznych były różnie projektowane i to przyczyniło się do wprowadzenia systemu dopełnienia do dwóch, jako że ten sposób ułatwia ALU wykonywanie operacji dodawania i odejmowania na liczbach ujemnych.
Większość operacji komputera jest wykonywana przez ALU. Jednostka ALU pobiera dane z rejestrów procesora. Dane te są przetwarzane, a wyniki operacji są przechowywane w rejestrach wyjściowych ALU. Inne układy przesyłają dane pomiędzy tymi rejestrami a pamięcią. Jednostka kontrolna zarządza jednostką ALU, poprzez ustawianie układów, które informują ALU jaką operację należy wykonać.
Większość ALU potrafi dokonać następujących operacji:
Inżynier potrafi zaprojektować ALU do wykonywania każdej operacji niezależnie jak jest skomplikowana, jednak problemem jest to, że im bardziej operacja jest skomplikowana tym jednostka ALU jest droższa, zajmuje więcej miejsca w procesorze oraz zużywa więcej energii.
Dlatego też inżynierowie zawsze szukają kompromisu, aby wyposażyć procesor (lub inne układy) w jednostkę ALU, która będzie wystarczająco wydajna, aby zapewnić odpowiednio szybką pracę procesora, ale nie tak skomplikowana by była nieprzystępna cenowo. Wyobraźmy sobie, że musimy obliczyć pierwiastek kwadratowy z danej liczby. Projektant rozpatrzy następujące sposoby zaimplementowania takiej operacji:
Sposoby podane powyżej uporządkowane są od najszybszego i najbardziej kosztownego do najwolniejszego i najtańszego. Dlatego też, nawet najprostszy komputer potrafi wykonać najbardziej złożony algorytm, jednak będzie potrzebował do tego dużo czasu, ponieważ poszczególne kroki do wykonania obliczenia zawierać będą opcje 3, 4 i 5 opisane powyżej.
Procesory o dużej mocy obliczeniowej jak np. Pentium IV czy AMD64 wykorzystują opcję 1 dla większości złożonych operacji oraz opcję 2 dla bardzo złożonych operacji. Jest to możliwe dzięki możliwości budowania bardzo złożonych jednostek ALU w tych procesorach.
Wejściami ALU są dane na których się operuje (operandy) oraz algorytm z jednostki sterującej, który wskazuje którą operację należy wykonać. Wyjściem jest wynik obliczenia. W wielu modelach, ALU generuje jako wejścia lub wyjścia zbiór kodów warunkowych z lub do rejestru statusowego. Kody te używane są do wskazywania takich procesów jak przeniesienie, przepełnienie, dzielenie przez 0 itp.
Jednostka zmiennoprzecinkowa (z ang. Floating Point Unit) również wykonuje operacje arytmetyczne na dwóch wartościach, jednak są to liczby w reprezentacji zmiennoprzecinkowej, co jest znacznie bardziej skomplikowane niż wykonywanie operacji na liczbach w kodzie uzupełnienia do dwóch ZU2 używanej w typowej ALU. W celu wykonania takich kalkulacji, FPU posiada kilka wbudowanych, złożonych układów, takich jak wewnętrzne ALU. Zazwyczaj projektanci nazywają jednostkę ALU układem, który wykonuje operacje arytmetyczne w różnych formatach liczb całkowitych (np. ZU2 i BCD), podczas gdy układy dokonujące obliczeń na bardziej złożonych formatach np. zmiennoprzecinkowych, liczbach zespolonych itp. zwykle otrzymują bardziej szczegółowe nazwy.
Powyższe informacje zostały przetłumaczone na język polski z http://www.ziemiaprzyszlosci.pl/samochody//w/en/Arithmetic_logic_unit przez Leszka Olejnika
