ALU (LOGICKÁ ARITMETICKÁ JEDNOTKA): OPERÁCIE A ARCHITEKTÚRA - TECHNOLÓGIE - 2026

ALU (aritmeticko-logická jednotka) je elektronický obvod, ktorého úlohou je vykonávať všetky procesy súvisiace s postupmi logiky a numerické výpočty. Je uvedený ako nevyhnutná súčasť centrálnej procesorovej jednotky (CPU) počítačov.

Medzi najnovšie CPU patria veľmi výkonné a komplexné ALU. V niektorých štruktúrach CPU je ALU rozdelená na aritmetickú jednotku a logickú jednotku. Dnešné CPU okrem riadiacej jednotky ALU obsahujú aj riadiacu jednotku.

Zdroj: CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=168473

Väčšinu operácií CPU vykonáva jedna alebo viac ALU, keď sa údaje načítajú zo vstupných registrov. Register je malý voľný priestor na uloženie ako súčasť CPU.

Riadiaca jednotka povie ALU, aký postup sa má s týmito informáciami vykonať, a výsledok uloží do výstupného registra. Riadiaca jednotka vykonáva prenos informácií medzi registrami, ALU a pamäťou.

Keď sa postupy stanú komplexnejšími, ALU bude zaberať viac priestoru CPU, drahšie náklady a generovať viac tepla.

Operácie vykonávané ALU

ALU sa primárne venuje vykonávaniu logických a matematických operácií vrátane operácií bitového posunu. Sú to základné procesy, ktoré sa musia vykonávať takmer na všetkých údajoch, ktoré procesor spracúva.

Logická aritmetická jednotka je tá zložka CPU, ktorá vykonáva všetky výpočty, ktoré CPU môže potrebovať. Je to „výpočtová“ časť počítača, pretože vykonáva základné aritmetické a logické operácie.

Väčšina postupov má logický charakter. Podľa návrhu ALU môže byť CPU pridelený väčší výkon. To však tiež spôsobí, že budete používať viac energie a produkujete viac tepla.

Rôzne činnosti vykonávané ALU možno klasifikovať takto:

Logické operácie

Tu sú rôzne logické operácie, napríklad AND, OR, NOT, XOR, NOR, NAND atď.

Aritmetické operácie

Vzťahuje sa na sčítanie a odčítanie bitov. Aj keď sa niekedy používa násobenie a delenie, vykonávanie týchto operácií je drahšie.

Opakované sčítanie sa môže tiež použiť na nahradenie násobenia a opakované odpočítanie na nahradenie delenia.

Operácie bitového posuvu

Označuje posunutie bitových pozícií na určitom počte miest doprava alebo doľava, čo sa považuje za multiplikačnú operáciu.

Aritmetická a logická jednotka

V aritmetickej jednotke sa násobenie a delenie vykonáva pomocou série sčítaní alebo odčítaní a posúvaním bitov. Existuje niekoľko spôsobov, ako vyjadriť záporné čísla.

Na logickej jednotke sa môže vykonať ľubovoľná zo 16 možných logických operácií. Napríklad kontrast dvoch operandov alebo rozpoznanie, kde sa bity nezhodujú.

ALU architektúra

ALU má priamy prístup k vstupom aj výstupom do riadiacej jednotky procesora, hlavnej pamäte a vstupných a výstupných zariadení.

Vstupné a výstupné údaje sa prenášajú elektronickou cestou nazývanou zbernica. Vstup zodpovedá inštrukcii, ktorá obsahuje jeden alebo viac operandov, kód operácie a v niektorých prípadoch formátový kód.

Operačný kód ukazuje ALU, akú akciu má vykonať, okrem operandov zapojených do tejto operácie. Môžete napríklad dať pokyn, aby sa dva operandy odpočítali alebo porovnali.

Výstup pozostáva z výsledku, ktorý sa umiestni do registra úložiska a konfigurácie, ktorá bude indikovať, či bola operácia úspešná. Ak nie, v stave zariadenia sa uloží určitý stav.

Bitový tok a operácie s nimi vykonávané v podjednotkách ALU sú riadené obvodmi hradla.

V týchto obvodoch je sekvenčná logická jednotka jednotka, ktorá riadi brány, cez špecifickú sekvenciu, ktorá zodpovedá každému operačnému kódu.

Logické brány

Všetky informácie v počítači sú uložené a spracované vo forme binárnych čísel, tj 0 a 1. Tranzistorové spínače sa používajú na manipuláciu s binárnymi číslami, pretože v prepínači existujú iba dva možné stavy: otvorený alebo zatvorené.

Otvorený tranzistor, cez ktorý neprechádza žiadny prúd, predstavuje 0. Uzatvorený tranzistor, ktorým prechádza prúd, predstavuje 1.

Operácie sa môžu uskutočňovať pripojením viacerých tranzistorov. Jeden tranzistor sa môže použiť na pohon druhého tranzistora. Napríklad prepínač jedného tranzistora sa zapína alebo vypína v závislosti od stavu druhého tranzistora.

Toto je známe ako brána, pretože toto usporiadanie môže byť použité na povolenie alebo zastavenie elektrického prúdu.

Brány sú stavebnými kameňmi ALU. Sú vyrobené z diód, rezistorov alebo tranzistorov. Tieto brány sa používajú v integrovanom obvode na vyjadrenie binárneho vstupu v stave „zapnuté“ a „vypnuté“.

ALU je nakonfigurovaná prostredníctvom kombinatorického obvodu. Tento obvod používa logické hradlá ako AND, OR, NOT pre svoju konformáciu.

A brána

Brána AND má dva alebo viac vstupov. Výstup AND hradla je 1, ak sú všetky vstupy 1. Brána AND vracia 0, ak sú niektoré zo vstupných údajov 0.

ALEBO brána

Brána OR môže mať dva alebo viac vstupov. Výstup brány OR bude vždy 1, ak ktorýkoľvek zo vstupov je 1 a 0, ak sú všetky vstupy 0.

NIE brána

Najjednoduchším typom operácie je NOT brána. Používa iba jeden tranzistor. Používa jediný vstup a vytvára jediný výstup, ktorý je vždy opakom vstupu.

Brána NOT sa používa na zvrátenie výsledku brán alebo invertovanie booleovského stavu z 0 na 1 a z 1 na 0. Používa sa tiež s bránou „AND“ a „ALEBO“.

Ak sa používa v spojení s bránou AND alebo „ALEBO“, brána NOT predstavuje malý kruh pred oboma bránami.

Po použití brány NOT sa brány AND stanú NAND a brány OR sa stanú NOR.

záznamy

Sú veľmi dôležitou súčasťou ALU na ukladanie inštrukcií, medziproduktov, vstupných operandov, pridaných operandov, akumulovaného výsledku, ktorý je uložený v akumulátore, a konečného výsledku.

Registre poskytujú veľmi rýchly prístup k pamäti v porovnaní s vyrovnávacou pamäťou, RAM a pevným diskom. Sú postavené v CPU a sú malé.

Referencie

1. Paul Zandbergen (2019). Aritmetická logická jednotka (ALU): definícia, návrh a funkcia. Štúdia. Prevzaté z: study.com.
2. Techopedia (2019). Aritmetická logická jednotka (ALU). Prevzaté z: stroppedia.com.
3. Margaret Rouse (2019). Aritmeticko-logická jednotka (ALU). TechTarget. Prevzaté z: whatis.techtarget.com.
4. Dinesh Thakur (2019). Čo je aritmetická logická jednotka (ALU)? - Definícia a význam. Poznámky k počítaču. Prevzaté z: ecomputernotes.com.
5. Wikipedia, bezplatná encyklopédia (2019). Aritmetická logická jednotka. Prevzaté z: en.wikipedia.org.