ALU (Unidade Lógica Aritmética): Operações e Arquitetura - Ciência - 2023

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o ALU (unidade aritmética lógica) É um circuito eletrônico cuja função é realizar todos os processos relacionados aos procedimentos de cálculo lógico e numérico. Ele é listado como um componente indispensável da unidade central de processamento (CPU) dos computadores.

CPUs recentes incluem ALUs muito poderosas e complexas. Em algumas estruturas de CPU, a ALU é dividida em uma unidade aritmética e uma unidade lógica. Além da ALU, as CPUs de hoje incluem uma unidade de controle.

A maioria das operações de uma CPU é realizada por uma ou mais ALUs, quando os dados são carregados dos registradores de entrada. Um registro é um pequeno espaço livre para armazenar como parte de uma CPU.

A unidade de controle informa à ALU qual procedimento executar com essas informações e salva o resultado em um registro de saída. A unidade de controle realiza a transferência de informações entre registradores, ALU e memória.

À medida que os procedimentos se tornam mais complexos, a ALU também ocupará mais espaço da CPU, custará mais e gerará mais calor.

Operações realizadas pela ALU

A ALU é principalmente dedicada a executar operações lógicas e matemáticas, incluindo operações de bit shift. Esses são processos fundamentais que devem ser executados em quase todos os dados que a CPU processa.

A unidade aritmética lógica é o componente da CPU que executa todos os cálculos de que a CPU pode precisar. É a parte "calculista" do computador, pois executa operações aritméticas e lógicas básicas.

A maioria dos procedimentos são de natureza lógica. De acordo com o projeto da ALU, a CPU pode receber mais potência. No entanto, também fará com que você use mais energia e produza mais calor.

As diferentes operações realizadas pela ALU podem ser classificadas da seguinte forma:

Operações lógicas

Aqui estão as diferentes operações lógicas, como AND, OR, NOT, XOR, NOR, NAND, etc.

Operaçoes aritimeticas

Refere-se à adição e subtração de bits. Embora a multiplicação e a divisão sejam algumas vezes usadas, essas operações são mais caras de realizar.

A adição repetitiva também pode ser usada para substituir a multiplicação e a subtração repetitiva para substituir a divisão.

Operações de bit shift

Refere-se ao deslocamento das posições dos bits em um certo número de lugares para a direita ou para a esquerda, o que é considerado uma operação de multiplicação.

Unidade aritmética e lógica

Na unidade aritmética, a multiplicação e a divisão são realizadas por uma série de operações de adição ou subtração e pelo deslocamento dos bits. Existem várias maneiras de representar números negativos.

Qualquer uma das 16 operações lógicas possíveis pode ser executada na unidade lógica. Por exemplo, contrastar dois operandos ou reconhecer onde os bits não correspondem.

Arquitetura ALU

A ALU pode acessar diretamente a entrada e a saída da unidade de controle do processador, a memória principal e os dispositivos de entrada e saída.

Os dados de entrada e saída são transmitidos por meio de um caminho eletrônico denominado barramento. A entrada corresponde a uma instrução, que inclui um ou mais operandos, um código de operação e, em alguns casos, um código de formato.

O código da operação mostra à ALU qual ação ela deve executar, além dos operandos envolvidos nessa operação. Por exemplo, você pode indicar que os dois operandos sejam subtraídos ou comparados.

A saída consiste em um resultado que será colocado em um registro de armazenamento e uma configuração que indicará se a operação foi bem-sucedida. Caso contrário, algum tipo de estado será armazenado no estado da máquina.

O fluxo de bits e as operações realizadas neles nas subunidades da ALU são controlados por circuitos de porta.

Nestes circuitos, uma unidade lógica de sequência é aquela que dirige as portas, através de uma sequência específica que corresponde a cada código de operação.

Portas lógicas

Todas as informações em um computador são armazenadas e tratadas na forma de números binários, ou seja, 0 e 1. Para lidar com números binários, chaves de transistor são usadas, uma vez que existem apenas dois estados possíveis em uma chave: aberto ou fechadas.

Um transistor aberto, através do qual nenhuma corrente passa, representa um 0. Um transistor fechado, através do qual a corrente passa, representa um 1.

As operações podem ser realizadas conectando vários transistores. Um transistor pode ser usado para acionar um segundo transistor. Por exemplo, a chave para um transistor liga ou desliga dependendo do estado de um segundo transistor.

Isso é conhecido como portão, porque esse arranjo pode ser usado para permitir ou interromper a corrente elétrica.

Os portões são os blocos de construção da ALU. Eles são construídos a partir de diodos, resistores ou transistores. Essas portas são usadas no circuito integrado para representar uma entrada binária como estado "ligado" e "desligado".

A ALU é configurada por meio de um circuito combinatório. Este circuito usa portas lógicas como AND, OR, NOT para sua conformação.

E portão

A porta AND tem duas ou mais entradas. A saída da porta AND é 1 se todas as entradas são 1. A porta AND retorna 0 se qualquer um dos dados de entrada for 0.

OU portão

A porta OR pode ter duas ou mais entradas. A saída da porta OR será sempre 1 se qualquer uma das entradas for 1 e 0 se todas as entradas forem 0.

NÃO portão

O tipo de operação mais simples é uma porta NOT. Ele usa apenas um único transistor. Ele usa uma única entrada e produz uma única saída, que é sempre o oposto da entrada.

A porta NOT é usada para reverter o resultado das portas ou inverter o estado booleano de 0 a 1 e de 1 a 0. Também é usada com as portas “AND” e “OR”.

Quando usado em conjunto com a porta E ou “OU”, a porta NÃO é representada por um pequeno círculo na frente de ambas as portas.

Depois de usar a porta NOT, as portas AND se tornam NAND e as portas “OR” se tornam NOR.

Registros

Eles são um componente muito importante na ALU para armazenar instruções, dados intermediários, os operandos de entrada, os operandos que se somam, o resultado acumulado que fica armazenado em um acumulador e o resultado final.

Os registros fornecem acesso muito rápido à memória, em comparação com o cache, RAM e disco rígido. Eles são integrados à CPU e são pequenos.

Referências

Paul Zandbergen (2019). Unidade Lógica Aritmética (ALU): Definição, Design e Função. Estude. Retirado de: study.com.
Techopedia (2019). Unidade Lógica Aritmética (ALU). Retirado de: roofpedia.com.
Margaret Rouse (2019). Unidade aritmética-lógica (ALU). Techtarget. Retirado de: whatis.techtarget.com.
Dinesh Thakur (2019). O que é unidade lógica aritmética (ALU)? - Definição e significado. Notas do Ecomputer. Retirado de: ecomputernotes.com.
Wikipedia, a enciclopédia livre (2019). Unidade lógica aritmética. Retirado de: en.wikipedia.org.