算术逻辑单元如何工作?

ALU 配备了各种电气输出和输入连接，从而在 ALU 和外部电子设备之间传输数字信号。外部电路向 ALU 输入提供数据，ALU 将信息直接传输到外部电子设备，指示数学程序的输出。

数据流入 ALU ：通常，ALU 可以直接访问 CPU 控制器、主存储器(个人计算机中的随机存取存储器和永久存储器)和输入/输出设备。输入沿着类似总线的电气路径从内存传输到 ALU。

理解输入：输入包含指令字，也称为机器指令字，它包含操作码或“操作码”、操作数(输入)和格式代码。操作码指示 ALU 在整个操作过程中使用操作数时执行哪个操作。例如，两个操作数可以组合或逻辑比较。

应用函数：ALU 使用其内部组件为各种任务进行二进制计算。各种 ALU 功能和设计可以管理不同程度的复杂性。

输出生成：输出包括存储在内存寄存器中的结果，其中包含指示操作是否成功的设置。如果不是，状态将被记录在永久位置，通常称为机器状态字。

临时存储：ALU 通常具有用于输入操作数、相加操作数、累积结果(存储在累加器中)和移位结果的存储位置。门控电路控制位的移动以及在 ALU 的子单元中对其执行的操作。

可编程算法：顺序逻辑单元使用特定算法或对每个操作代码进行排序来控制 ALU 电路中的门。乘法和除法是通过算术单元内的一系列加法或减法或移位运算来执行的，但工程师也可以对 ALU 进行编程以进行其他运算。

ALU用在什么地方?

算术逻辑单元是几乎所有能够处理数据的计算系统的组成部分。它存在于所有高级处理器中，其核心用途包括：

PC 和笔记本电脑：在标准计算机中，ALU 执行运行各种软件程序所需的计算和比较。这包括文字处理、电子表格和图形应用程序。

大型机和服务器：大型机和服务器使用 ALU进行必要的计算和比较，以处理客户端请求并提供适当的响应。

嵌入式系统和物联网：ALU 用于嵌入式设备，旨在在更广泛的设备或生态系统中执行单一功能。示例包括飞机控制机制、医疗设备、汽车系统和支持物联网 (IoT)的技术。

移动设备：智能手机和平板电脑等移动设备中的 ALU 执行计算和比较，类似于它在个人计算机上的操作。这允许个人浏览互联网和执行程序。

ALU 组件

ALU 有两个主要组件——算术单元和逻辑单元，以及一些附加组件。以下是每个的简要概述。

1. 运算单元

算术单元执行计算机中的所有数字运算，如加法和减法。它还执行其他基本操作，例如增量操作。在最基本的层面上，ALU 组件结合了两个二进制数字。两个输入信号 X 和 Y 可能会产生一个由两位数字之和组成的输出。输出 X 和 Y 都是单位。

由于X和Y可以是0也可以是1，所以前三种可能是0+0=0、0+1=1、1+0=1(1等于真，0等于假)。但是，二进制语言中的 1+1 等于 (10)2，它多了一位。算术单元 ALU 有一个称为半加器的特殊电路来适应这一点。ALU除了半加器外，还有全加器和8位加器，本质上都是电路架构。

2.逻辑单元

逻辑单元是ALU的后半部分。逻辑单元不执行数学运算，而是执行逻辑运算，例如 AND、OR 和 XOR。此外，它还进行数值测试。例如，它确定整数是否为负数。它还规定了 ALU 的输出是否为零。此外，它还支持各种标志，包括溢出、零和负数。这些标志通过识别输出是否为 0 以及哪个输入大于另一个来帮助我们。

除了这些核心组件外，ALU 还包含：

3.内置存储

ALU 通常具有用于输入操作数、相加操作数、累加结果(保存在累加器中)和移位结果的存储位置。门控电路控制位的移动以及 ALU 子单元内对它们执行的任务。这些门由顺序逻辑单元调节，该单元对每个操作代码采用特定算法或排序。在算术逻辑单元中，除法和乘法是使用一系列加法、减法和移位来完成的。

现在让我们仔细看看累加器组件。

4.蓄能器

在计算机的 ALU 中，累加器是一个缓冲区，用于存储中间算术逻辑单元的结果。在处理周期中，它存储数据或操作结果。在每个 ALU 操作期间，累加器可能包含任何操作数。例如，如果我们想添加两个字节，一个将放在累加器中，第二个放在内存或通用寄存器中。

5. 通用寄存器

寄存器用作接收、存储和传输信息和指令的快速存储器，ALU(因此，CPU)将立即需要这些信息和指令。通用寄存器包括在需要数据或内存地址时使用的额外 CPU 寄存器。这些寄存器用作操作数和指针的存储。值得注意的是，用作动作输入的数值称为操作数，指针表示指令。

6.数据总线

数据总线用于将数据从存储器传输到寄存器以及从寄存器传输到存储器。一个基本的 ALU 由三个并行数据总线组成，其中包含两个输入操作数(X 和 Y)和一个输出。每条数据总线都是携带单个二进制整数的信号集合。一般情况下，构成每条总线的信号总数和围绕ALU的外围电路(如外围CPU)是差不多的。

七、电路操作

该电路是 ALU 的最后也是最重要的组成部分。ALU 是一个组合逻辑电路，这意味着它的输出异步响应输入变化。在正常运行中，ALU 输入接收稳定信号。当足够的时间过去后(称为“传播延迟”)，操作的结果被传输到输出寄存器。

连接到 ALU 的外部电路负责保持输入信号的稳定性。此外，在评估结果之前，允许信号传播足够的时间。