算術邏輯單元(中央處理器的執行單元)

算術邏輯單元(arithmetic and logic unit) 是能實現多組算術運算和邏輯運算的組合邏輯電路，簡稱ALU。

基本介紹

• 中文名：算術邏輯單元
• 外文名：ALU
• 類別：CPU的執行單元
• 組成：And Gate Or Gate
• 作用：整數運算
• 套用：電腦晶片

簡介

算術邏輯單元（Arithmetic&logical Unit）是中央處理器(CPU)的執行單元，是所有中央處理器的核心組成部分，由"And Gate"（與門） 和"Or Gate"（或門）構成的算術邏輯單元，主要功能是進行二位元的算術運算，如加減乘(不包括整數除法)。基本上，在所有現代CPU體系結構中，二進制都以補碼的形式來表示。

算術邏輯單元

發展

算術邏輯單元（arithmetic logic unit，縮寫ALU）是進行整數運算的結構。現階段是用電路來實現，套用在電腦晶片中。
在計算機中，算術邏輯單元（ALU）是專門執行算術和邏輯運算的數字電路。ALU是計算機中央處理器的最重要組成部分，甚至連最小的微處理器也包含ALU作計數功能。在現代CPU和GPU處理器中已含有功能強大和複雜的ALU；一個單一的元件也可能含有ALU。
1945年數學家馮諾伊曼在一篇介紹被稱為EDVAC的一種新型電腦的基礎構成的報告中提出ALU的概念。

早期發展

1946年，馮諾伊曼與同事合作為普林斯頓高等學習學院(IAS)設計計算機。隨後IAS計算機成為後來計算機的原形。在論文中，馮諾伊曼提到他所相信的計算機中所需的部件，而其中包括ALU。 馮諾伊曼寫到，ALU是計算機的必備組成部分，因為已確定計算機一定要完成基本的數學運算，包括加減乘除。於是他相信「（計算機）應該含有專門完成此類運算的部件。」

數字系統

ALU必須與數字電路的其他部分使用同樣的格式來進行數字處理。對現代處理器而言，數值一律使用二進制補碼錶示。早期的計算機曾使用過很多種數字系統，包括反碼、符號數值碼，甚至是十進制碼，每一位用十個管子。 以上這每一種數字系統所對應的ALU都有不同的設計，而這也影響了當前對二進制補碼的優先選擇，因為二進制補碼能簡化ALU加法和減法的運算。 一個簡單的能進行與或非和加運算的2位ALU。

可行性分析

絕大部分計算機指令都是由ALU執行的。ALU從暫存器中取出數據。數據經過處理將運算結果存入ALU輸出暫存器中。其他部件負責在暫存器與記憶體間傳送數據。 控制單元控制著ALU，通過控制電路來告訴ALU該執行什麼操作。

簡單運算

大部分ALU都可以完成以下運算∶
整數算術運算（加、減，有時還包括乘和除，不過成本較高）
位邏輯運算（與、或、非、異或）
移位運算（將一個字向左或向右移位或浮動特定位，而無符號延伸），移位可被認為是乘以2或除以2。

複雜運算

工程師可設計能完成任何運算的ALU，不論運算有多複雜；問題在於運算越複雜，ALU成本越高，在處理器中占用的空間越大，消耗的電能越多。 於是，工程師們經常計算一個折中的方案，提供給處理器（或其他電路）一個能使其運算高速的ALU，但同時又避免ALU設計的太複雜而價格昂貴。構想你需要計算一個數的平方根，數字工程師將評估以下的選項來完成此操作∶
設計一個極度複雜的ALU，它能夠一步完成對任意數字的平方根運算。這被稱為單時鐘脈衝計算。
設計一個非常複雜的ALU，它能夠分幾步完成一個數字的平方根運算。不過，這裡有個訣竅，中間結果經過一連串電路，就像是工廠里的生產線。這甚至使得ALU能夠在完成前一次運算前就接受新的數字。這使得ALU能夠以與單時鐘脈衝同樣的速度產生數字，雖然從ALU輸出的結果有一個初始延遲。這被稱為計算流水線。
設計一個複雜的ALU，它能夠計算分幾步計算一個數字的平方根。這被稱為互動計算，經常依賴於帶有嵌入式微碼的複雜控制單元。
在處理器中設計一個簡單的ALU，去掉一個昂貴的專門用於此運算的處理器，再選擇以上三個選項之一。這被稱為協處理器。
告訴編程人員沒有協處理器和仿真設備，於是他們必須自己寫出算法來用軟體計算平方根。這是由軟體庫完成的。
對協處理器進行仿真，也就是說，只要一個程式想要進行平方根的計算，就讓處理器檢查當前有沒有協處理器。如果有的話就使用其進行計算，如果沒有的話，中斷程式進程並調用作業系統通過軟體算法來完成平方根的計算。這被稱為軟體仿真。
以上給出的選項按最快和最貴到最慢和最經濟排列。於是，雖然甚至是最簡單的計算機也能計算最複雜的公式，但是最簡單的計算機經常需要耗費大量時間，通過若干步才能完成。 強大的處理器，比如英特爾酷睿和AMD64系列對一些簡單的運算採用1號選項，對最常見的複雜運算採用2號選項，對極為複雜的運算採用3號選項。這是具有在處理器中構造非常複雜的ALU的能力為前提的。

輸入和輸出

ALU的輸入是要進行操作的數據（稱為運算元）以及來自控制單元的指令代碼，用來指示進行哪種運算。它的輸出即為運算結果。 在許多設計中ALU也接收或發出輸入或輸出條件代碼到（或來自）狀態暫存器。這些代碼用來指示一些情況，比如進位或借位、溢出、除數為零等。

ALU與FPU

浮點單元也對兩個數值進行算術運算，但是這種運算已浮點數表示，比在ALU中一般使用的補碼錶示方式複雜的多。為了完成此類運算，FPU里嵌入了多個複雜電路，包括一些內部ALU。 工程師一般認為ALU是處理整數型（比如補碼和BCD碼）算術運算的的電路，而對更為複雜的格式（比如浮點型、複數型）進行計算的電路則擁有一個更加匹配的稱謂。

特點

ALU用以計算機指令集中的執行算術與邏輯操作;

某些處理器中，將ALU切分為兩部分，即算術單元 （AU）與邏輯單元（LU）。某些處理器包含一個以上的AU，如，一個用來進行定點操作，另一個進行浮點操作。（個人計算機中，浮點操作有時由被稱為數字協處理器的浮點單元完成）。

通常而言，ALU具有對處理器控制器、記憶體及輸入輸出設備的直接讀入讀出許可權。輸入輸出是通過匯流排進行的。輸入指令包含一個指令字，有時被稱為機器指令字，其中包括操作碼，單個或多個運算元，有時還會有格式碼；操作碼指示ALU機要執行什麼操作，在此操作中要執行多少個運算元。比如，兩個運算元可以進行比較，也可以進行加法操作。 格式碼可與操作碼結合，告知這是一個定點還是浮點指令；輸出包括存放在存儲暫存器中的結果及顯示操作是否成功的設定。如操作失敗，則在機器狀態字中會有相應的狀態顯示 。

通常，輸入運算元、運算元、累加和以及轉換結果的存儲位置都在ALU中。在算術單元中，乘除操作是通過一系列的加減運算得到的。在機器碼中有多種方式用以表示負數。

在邏輯單元中，每次執行16個可能的邏輯運算中的一個。

ALU的設計是處理器設計中的關鍵部分。仍在不斷研究如何提高指令的處理速度。

邏輯單元

邏輯單元(LU)是進入IBM系統網路體系結構(SNA)的網路連線埠，通過它用戶可以訪問網路資源，或一個程式設計師與另一個程式設計師通信。