Алу, что это такое в компьютере

Обновлено: 06.07.2024

Раздел 404 Закона Сарбейнса-Оксли (SOX) требует, чтобы все публичные компании установили внутренний контроль и процедуры.

Закон о защите конфиденциальности детей в Интернете от 1998 года (COPPA) – это федеральный закон, который налагает особые требования на операторов доменов .

План North American Electric Reliability Corporation по защите критически важной инфраструктуры (NERC CIP) представляет собой набор стандартов.

Взаимная аутентификация, также называемая двусторонней аутентификацией, представляет собой процесс или технологию, в которой оба объекта обмениваются данными .

Экранированная подсеть или брандмауэр с тройным подключением относится к сетевой архитектуре, в которой один брандмауэр используется с тремя сетями .

Метаморфное и полиморфное вредоносное ПО – это два типа вредоносных программ (вредоносных программ), код которых может изменяться по мере их распространения.

Медицинская транскрипция (МТ) – это ручная обработка голосовых сообщений, продиктованных врачами и другими медицинскими работниками.

Электронное отделение интенсивной терапии (eICU) — это форма или модель телемедицины, в которой используются самые современные технологии.

Защищенная медицинская информация (PHI), также называемая личной медицинской информацией, представляет собой демографическую информацию, медицинскую .

Снижение рисков – это стратегия подготовки к угрозам, с которыми сталкивается бизнес, и уменьшения их последствий.

Отказоустойчивая технология — это способность компьютерной системы, электронной системы или сети обеспечивать бесперебойное обслуживание.

Синхронная репликация — это процесс копирования данных по сети хранения, локальной или глобальной сети, поэтому .

API облачного хранилища — это интерфейс прикладного программирования, который соединяет локальное приложение с облачным хранилищем.

Интерфейс управления облачными данными (CDMI) – это международный стандарт, определяющий функциональный интерфейс, используемый приложениями.

Износ флэш-памяти NAND — это пробой оксидного слоя внутри транзисторов с плавающим затвором флэш-памяти NAND.

Арифметическое устройство, или АЛУ, позволяет компьютерам выполнять математические операции с двоичными числами. Они находятся в основе каждого цифрового компьютера и являются одной из наиболее важных частей ЦП (центрального процессора). В этой заметке рассматриваются их основные функции, анатомия и история.

Знакомство с машиной

Если бы вы могли взять компьютер и вырвать его сердце, как бы он выглядел? Это может показаться странным, но действительно ли мы можем это сделать? Или вопрос вообще имеет смысл?

В наши дни трудно даже представить себе, что такое компьютер. У большинства из нас есть та или иная форма, сидящая в карманах, привязанная к запястью или сидящая на столе. Все они выглядят совершенно по-разному и используются для разных целей — они хоть работают одинаково?

Возможно, вас удивит, что все эти устройства используют одни и те же основные механизмы для работы. Все они происходят из одной и той же изначальной цифровой ДНК, и все они имеют одно и то же постоянное сердцебиение, даже если некоторые из них бьются быстрее, чем другие.

Некоторых также может шокировать тот факт, что компьютеры — это просто тупые машины, управляемые с помощью потока двоичных инструкций, которые постоянно манипулируют бездушными механизмами. На самом деле в них нет ничего волшебного или умного — независимо от того, что может сказать вам Siri.

По определению, компьютер или "вычислительная машина" – это аппаратное обеспечение, которое выполняет вычисления общего назначения на основе набора хранимых инструкций. Проще говоря, компьютер — это двоичный калькулятор на стероидах, работающий в рамках повторяющегося процесса, называемого циклом «выборка-декодирование-выполнение».

Выборка-декодирование-выполнение относится к вычислительному процессу, который постоянно извлекает инструкции из хранилища памяти, декодирует их в операции и выполняет их для выполнения вычислений. И именно эти простые шаги приводят к сложному (и, казалось бы, волшебному) поведению, которое мы ожидаем от современных вычислительных машин!

Иллюстрация цикла выборка-декодирование-выполнение

Процесс выборки-декодирования-выполнения можно дополнительно объяснить, связав каждый шаг цикла (FETCH / DECODE / EXECUTE) с тремя аппаратными подсистемами: блоком памяти, блоком управления и арифметическим блоком.

FETCH (выполняется блоком памяти)
Блок памяти — это часть вычислительной машины, которая содержит машинные инструкции или данные для выполнения вычислений общего назначения. Эта подсистема позволяет получать доступ к сохраненным инструкциям или данным или извлекать их во время выполнения программы.

ДЕКОДИРОВАНИЕ (выполняется блоком управления)
Блок управления отвечает за автоматизацию и последовательность цикла выборки-декодирования-выполнения — вы можете думать о нем как о «проводнике» системы. Он также расшифровывает инструкции и обеспечивает последовательное выполнение правильных системных операций.

EXECUTE (выполняется арифметическим устройством)
Арифметическое устройство представляет собой аппаратную подсистему, выполняющую арифметические операции над двоичными входными данными. Простейшие арифметические устройства выполняют двоичное сложение и вычитание. Более сложные AU могут выполнять умножение, деление и логические побитовые операции. Однако эти более сложные AU обычно называют ALU: «Арифметико-логическое устройство».

Структура арифметического устройства и АЛУ

В своей простейшей форме арифметическое устройство можно рассматривать как простой двоичный калькулятор, выполняющий двоичное сложение или вычитание двух входных данных (A и B) для вывода результата (чтобы узнать больше о том, как это работает, ознакомьтесь с нашей заметкой). : бинарное сложение с полными сумматорами).

Простой арифметический блок

Помимо выполнения основных математических операций, арифметическое устройство может также выводить серию «флагов», которые предоставляют дополнительную информацию о статусе результата: если он равен нулю, есть ли перенос или переполнение. произошло. Это важно, так как позволяет вычислительной машине выполнять более сложные действия, такие как условное ветвление.

Однако современные вычислительные машины содержат «арифметические устройства», которые намного сложнее описанных выше. Эти блоки могут выполнять дополнительные основные математические операции (умножение и деление) и побитовые операции (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и др.). Поэтому их обычно называют АЛУ (арифметико-логическое устройство).

ALU позволяют выполнять математические процедуры оптимизированным образом, что может значительно сократить количество шагов, необходимых для выполнения конкретного вычисления.

Сегодня большинство процессоров (центральных процессоров) содержат АЛУ, которые могут выполнять операции с 32- или 64-битными двоичными числами. Однако AU и ALU, которые обрабатывают гораздо меньшие числа, также занимают свое место в истории вычислений.

Краткая история арифметико-логических единиц

Идея вычисления, состоящего из отдельных подсистем, работающих вместе для создания сложного поведения, не является идеей 20-го века. На самом деле машины с хранимой программой были разработаны Чарльзом Бэббиджем более чем за 100 лет до знаменитой формализации Аланом Тьюрингом «Универсальной машины Тьюринга» в 1930-х годах.

В малоизвестной книге Б.В.Боудена «Быстрее, чем мысль» (1953) прекрасно описывается концептуализация вычислений Бэббиджа, которая включает понятие блока управления, блока памяти и арифметического блока! Отсылая к механическому контексту арифметической единицы того времени, Бэббидж назвал эту подсистему «Мельницей».

'Отрывок из книги "Быстрее, чем мысль", Б.В.Боуден, 1953 г.

Теоретические основы вычислений увидели свет благодаря созданию первых цифровых компьютеров. Такие машины, как компьютер MOSAIC, первая программа которого была запущена (примерно) в 1953 году, состояли из более чем 6480 электронных вентилей и занимали площадь четырех комнат! На изображении ниже показано изображение его «арифметической стойки», которая была одной из первых арифметических единиц. Он работал в основе компьютера, пока машина не была выведена из эксплуатации в начале 1960-х годов. (Обратите внимание и на стойку управления. «Хранилище» памяти располагалось в отдельной комнате).

Изображение MOSAIC 'Arithmetic Rack' из 'Early British Computers', S.Lavington, 1980.

При изучении ранних цифровых компьютеров также стоит упомянуть EDSAC 2 (введен в эксплуатацию в 1958 г.), который был первым компьютером с микропрограммным блоком управления. Для опытных наблюдателей за ALU стоит посетить «Центр истории вычислений» в Кембридже, где хранится часть арифметико-логического блока этой машины:

Арифметико-логическое устройство из EDSAC 2: находится в Центре компьютерной истории, Кембридж.

Начиная с 1960-х годов компьютеры значительно уменьшались в размерах благодаря изобретению интегральных схем, которые заменили технологию электронных ламп, использовавшуюся в первых компьютерах. В 1970 году компания Texas Instruments представила оригинальную микросхему 74181 TTL — 4-битное АЛУ, которая упростила конструкцию миникомпьютеров. Он выполнял арифметические операции (сложение и вычитание) и логические операции (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ). Он должен был стать ключевым в истории проектирования и вычислительных технологий ALU, поскольку он использовался в знаменитых компьютерах, таких как PDP-11.

Изображение классической 74181 ALU IC. Автор 74s181 из английской Википедии — перенесено из en.wikipedia в Commons автором audriusa., Public Domain, Link

Многие считают микросхему 74181 TTL классической микросхемой, даже если она больше не производится. Однако его упадок знаменует появление процессоров, в которых подсистемы компьютеров миниатюризируются и включаются в состав кремниевых пластин современной микропроцессорной технологии.

Сегодня вы уже не можете увидеть или подержать в руке современный ALU. И простые механизмы, которые управляют повседневными вычислениями, теперь теряются и забываются маршем миниатюризации!

Вот почему, несмотря на то, что ARITH-MATIC представляет собой самодельный 4-битный арифметический блок, мы стремимся возродить физические и видимые связи, которые у нас когда-то были с давно утраченными предшественниками современных цифровых вычислений.

Чтобы быть в курсе последних новостей ARITH-MATIC, выпусков комплектов и сообщений в блогах, следите за нами в Twitter и Facebook.

Узнайте об этой теме в этих статьях:

функция в цифровом компьютере

…блока управления, арифметико-логического блока (ALU), блока памяти и контроллеров ввода/вывода (I/O). АЛУ выполняет простые операции сложения, вычитания, умножения, деления и логические операции, такие как ИЛИ и И. В памяти хранятся инструкции и данные программы. Блок управления извлекает данные и инструкции из памяти и…

…(3) блок управления, и (4) блок арифметико-логический. Любое из ряда устройств используется для ввода данных и программных инструкций в компьютер и для получения доступа к результатам операции обработки. Общие устройства ввода включают клавиатуры и оптические сканеры; устройства вывода включают принтеры и мониторы. …

отношение к центральному процессору

… основная память арифметико-логического устройства для обработки, которая включает четыре основные арифметические функции (т. е. сложение, вычитание, умножение и деление) и определенные логические операции, такие как сравнение данных и выбор желаемая процедура решения проблемы или жизнеспособная альтернатива, основанная на заранее определенных критериях принятия решения.

Он состоит из арифметико-логического блока (АЛУ) и цепей управления. АЛУ выполняет основные арифметические и логические операции, а секция управления определяет последовательность операций, включая инструкции ветвления, передающие управление от одной части программы к другой.Хотя основная память когда-то считалась…

Читайте также: