计算机基础-第5课:算术逻辑单元ALU
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发布时间：2024-10-23 11:55
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算术逻辑单元ALU是计算机核心组件之一，负责执行数算和逻辑操作。在计算机科学中，ALU是"Arithmetic&Logic Unit"的缩写，其作用是处理数字和执行各种算术逻辑运算，构成现代计算机的基石。
著名的ALU之一是英特尔74181，发布于1970年，是首个整合在单个芯片内的完整ALU，采用4位设计，约70个逻辑门组成。尽管它无法执行乘除运算，但其设计大大促进了计算机的小型化和成本降低，使得计算机性能更强大、价格更实惠。
ALU主要由算术单元和逻辑单元组成。算术单元负责处理所有数字运算，通过实现加法器，支持更复杂的运算。例如，要进行12乘以5的运算，实际上就是将12加5次。由于乘法运算复杂，需要多次加法操作实现，一些经济型处理器采用简单的算术单元，而高端处理器则配置专门的乘法器。
逻辑单元则负责执行逻辑操作，如AND、OR、NOT和XOR等，以及简单的数值测试。例如，逻辑单元可以用来检测ALU输出是否为零。这些操作共同构成了ALU的功能，支持计算机执行各种指令和运算。
在ALU的内部设计中，半加器和全加器是关键组成部分。半加器在处理两个数字加法时，可以实现简单加法，但当两个数字均为1时会产生进位问题。全加器通过引入进位输入参数，解决了这个问题，可以实现更复杂的加法运算。随着数字位数的增加，需要多个全加器来构成多位加法器，例如8位或更高位加法器。
为了提高计算速度，现代计算机采用超前进位加法器替代行波进位加法器，以减少每次进位所需的时间。超前进位加法器的设计使得计算机能够实现更快的加法运算，从而支持每秒几十亿次运算的高效率计算。
ALU的抽象设计简化了工程师的工作，不再需要关注底层逻辑门的组成，使得设计过程更加高效。ALU的图示通常采用抽象符号表示，如“大V”形状，展示其内部结构和功能。
