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电脑网 Aluminum(铝)

Aluminum(铝)

作者:pc.zx98.com 来源:互联网 标签:cpu基础知识,电脑专业术语 点击数:        ★★★
 

算术逻辑单元(arithmetic and logic unit) 是能实现多组算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路,简称alu。

算术逻辑单元(arithmetic&logical unit)是中央处理器(cpu)的执行单元,是所有中央处理器的核心组成部分,由"and gate"(与门) 和"or gate"(或门)构成的算术逻辑单元,主要功能是进行二位元的算术运算,如加减乘(不包括整数除法)。基本上,在所有现代cpu体系结构中,二进制都以补码的形式来表示。

 

算术逻辑单元(arithmetic logic unit,缩写alu)是进行整数运算的结构。现阶段是用电路来实现,应用在电

脑芯片中。
  在计算机中,算术逻辑单元(alu)是专门执行算术和逻辑运算的数字电路。alu是计算机中央处理器的最重要组成部分,甚至连最小的微处理器也包含alu作计数功能。在现代cpu和gpu处理器中已含有功能强大和复杂的alu;一个单一的元件也可能含有alu。PC.ZX98.COM
  1945年数学家冯诺伊曼在一篇介绍被称为edvac的一种新型电脑的基础构成的报告中提出alu的概念。
  

早期发展

1946年,冯诺伊曼与同事合作为普林斯顿高等学习学院(ias)设计计算机。随后ias计算机成为后来计算机的原形。在论文中,冯诺伊曼提到他所相信的计算机中所需的部件,而其中包括alu。 冯诺伊曼写到,alu是计算机的必备组成部分,因为已确定计算机一定要完成基本的数学运算,包括加减乘除。于是他相信「(计算机)应该含有专门完成此类运算的部件。」

  

数字系统

alu必须与数字电路的其他部分使用同样的格式来进行数字处理。对现代处理器而言,数值一律使用二进制补码表示。早期的计算机曾使用过很多种数字系统,包括反码、符号数值码,甚至是十进制码,每一位用十个管子。 以上这每一种数字系统所对应的alu都有不同的设计,而这也影响了当前对二进制补码的优先选择,因为二进制补码能简化alu加法和减法的运算。 一个简单的能进行与或非和加运算的2位alu。

  

可行性分析

绝大部分计算机指令都是由alu执行的。alu从寄存器中取出数据。数据经过处理将运算结果存入alu输出寄存器中。其他部件负责在寄存器与内存间传送数据。 控制单元控制着alu,通过控制电路来告诉alu该执行什么操作。

  

简单运算

大部分alu都可以完成以下运算∶
  整数算术运算(加、减,有时还包括乘和除,不过成本较高)
  位逻辑运算(与、或、非、异或)
  移位运算(将一个字向左或向右移位或浮动特定位,而无符号延伸),移位可被认为是乘以2或除以2。

  

复杂运算

工程师可设计能完成任何运算的alu,不论运算有多复杂;问题在于运算越复杂,alu成本越高,在处理器中占用的空间越大,消耗的电能越多。 于是,工程师们经常计算一个折中的方案,提供给处理器(或其他电路)一个能使其运算高速的alu,但同时又避免alu设计的太复杂而价格昂贵。设想你需要计算一个数的平方根,数字工程师将评估以下的选项来完成此操作∶
  设计一个极度复杂的alu,它能够一步完成对任意数字的平方根运算。这被称为单时钟脉冲计算。
  设计一个非常复杂的alu,它能够分几步完成一个数字的平方根运算。不过,这里有个诀窍,中间结果经过一连串电路,就像是工厂里的生产线。这甚至使得alu能够在完成前一次运算前就接受新的数字。这使得alu能够以与单时钟脉冲同样的速度产生数字,虽然从alu输出的结果有一个初始延迟。这被称为计算流水线。
  设计一个复杂的alu,它能够计算分几步计算一个数字的平方根。这被称为互动计算,经常依赖于带有嵌入式微码的复杂控制单元。
  在处理器中设计一个简单的alu,去掉一个昂贵的专门用于此运算的处理器,再选择以上三个选项之一。这被称为协处理器。
  告诉编程人员没有协处理器和仿真设备,于是他们必须自己写出算法来用软件计算平方根。这是由软件库完成的。
  对协处理器进行仿真,也就是说,只要一个程序想要进行平方根的计算,就让处理器检查当前有没有协处理器。如果有的话就使用其进行计算,如果没有的话,中断程序进程并调用操作系统通过软件算法来完成平方根的计算。这被称为软件仿真。
  以上给出的选项按最快和最贵到最慢和最经济排列。于是,虽然甚至是最简单的计算机也能计算最复杂的公式,但是最简单的计算机经常需要耗费大量时间,通过若干步才能完成。 强大的处理器,比如英特尔酷睿和amd64系列对一些简单的运算采用1号选项,对最常见的复杂运算采用2号选项,对极为复杂的运算采用3号选项。这是具有在处理器中构造非常复杂的alu的能力为前提的。

  

输入和输出

alu的输入是要进行操作的数据(称为操作数)以及来自控制单元的指令代码,用来指示进行哪种运算。它的输出即为运算结果。 在许多设计中alu也接收或发出输入或输出条件代码到(或来自)状态寄存器。这些代码用来指示一些情况,比如进位或借位、溢出、除数为零等。

  

alu与fpu

浮点单元也对两个数值进行算术运算,但是这种运算已浮点数表示,比在

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