Computer Fundamentals 简明教程

Computer - Arithmetic Logic Unit (ALU)

What is ALU?

ALU 是算术逻辑单元的简称。ALU 是执行算术和逻辑运算的部件。它每秒可以执行数十亿次运算。ALU 电路集成了四个关键部件，即输入、操作数、输出和存储。

alu

为了存储二进制数字，计算机使用开或关的晶体管开关。数据还存储在指定用于存储输出的寄存器中。ALU 往往快速且准确。这些电路由行逻辑运算，例如按位运算，即对二进制数字串进行运算。CPU 处理器直接支持按位逻辑运算，这些运算速度快、简单，从基本到高级不等。ALU 执行按位移位，即根据按位运算符的特定指令移动位。

block diagram of alu

ALU 还可能进行多精度算术运算，这是当所需的精度级别超出了硬件容量时所需的软件运算。ALU 可以进行复杂的算术和逻辑运算，因为它们使现代计算机能够将困难的计算分解为大量的二进制过程。

What does the ALU do?

ALU 执行算术和逻辑运算。在 CPU 中还存在控制单元或 CU。CU 指示 ALU 执行特定运算，ALU 负责执行这些运算。

NOT 门由一个晶体管和一个输入逻辑门组成。它的功能是产生与输入相反的输出。例如，输入 1 将产生输出 0。

OR 门中使用多个晶体管和两个输入。仅当第一个或第二个输入为 1 时，输出才为 1。相反，当两个输入都为 0 时，OR 门产生输出 0。

AND 门使用多个晶体管和两个输入。仅当第一个和第二个输入都为 1 时，输出才为 1。

Functions of ALU

ALU 是 CPU 的一个重要组成部分。它主要对输入数据执行算术和逻辑运算。ALU 具有不同的电气输入和输出连接，便于在 ALU 和外部电子设备之间传输数字信号。数据由外部电路提供给 ALU 输入，ALU 发送已处理的计算结果。ALU 的一些主要功能如下：

  1. Arithmetic Operations − 包括加、减、乘和除运算。

  2. Logical Operations − 包括 AND、OR、NOT、XOR（异或）和按位移位逻辑运算。

  3. Comparison Operations − ALU 还执行数字比较以确定大于、小于或等于。

  4. Bitwise Operations − 这些运算会更改数据字内的各个位，例如向左或向右移位和屏蔽特定位。

  5. Data flow into the ALU − ALU 可以直接访问 CPU 控制器、主存储器和输入/输出设备。ALU 使用总线状电气路由从存储器中获取输入数据。

  6. Applying functions − ALU 的内部组件用于为各种功能执行二进制计算。

  7. Provides Temporary Storage − ALU 通常包括存储输入操作数、要添加的操作数、累积结果和移位结果的存储器块。

ALU 从处理器的寄存器接收输入，并将结果返回到寄存器。它是 CPU 的一个关键组件，允许它执行计算机系统中各种任务和运算所需的计算。