ALU (ĐƠN VỊ SỐ HỌC LOGIC): PHÉP TOÁN VÀ KIẾN ​​TRÚC - CÔNG NGHỆ - 2026

Các ALU (Arithmetic Logic Unit) là một mạch điện tử có chức năng là để thực hiện tất cả các quá trình liên quan đến các thủ tục của logic và tính toán số. Nó được liệt vào danh sách thành phần không thể thiếu của khối xử lý trung tâm (CPU) của máy tính.

Các CPU gần đây bao gồm các ALU rất mạnh và phức tạp. Trong một số cấu trúc CPU, ALU được chia thành một đơn vị số học và một đơn vị logic. Ngoài ALU, các CPU ngày nay bao gồm một bộ phận điều khiển.

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

Hầu hết các hoạt động của CPU được thực hiện bởi một hoặc nhiều ALU, khi dữ liệu được tải từ các thanh ghi đầu vào. Thanh ghi là một không gian trống nhỏ để lưu trữ như một phần của CPU.

Khối điều khiển cho ALU biết thủ tục nào sẽ chạy với thông tin đó và lưu kết quả vào thanh ghi đầu ra. Khối điều khiển thực hiện việc truyền thông tin giữa các thanh ghi, ALU và bộ nhớ.

Khi các quy trình trở nên phức tạp hơn, ALU cũng sẽ chiếm nhiều không gian CPU hơn, tốn kém hơn và tạo ra nhiều nhiệt hơn.

Các hoạt động do ALU thực hiện

ALU chủ yếu dành riêng để thực hiện các phép toán logic và toán học, bao gồm các phép toán dịch chuyển bit. Đây là các quy trình cơ bản phải được thực thi trên hầu hết các dữ liệu mà CPU xử lý.

Đơn vị số học logic là thành phần của CPU thực hiện tất cả các phép tính mà CPU có thể cần. Nó là phần "tính toán" của máy tính, vì nó thực hiện các phép toán số học và logic cơ bản.

Phần lớn các thủ tục có bản chất logic. Theo thiết kế của ALU, CPU có thể được cung cấp nhiều năng lượng hơn. Tuy nhiên, nó cũng sẽ khiến bạn sử dụng nhiều năng lượng hơn và sinh ra nhiều nhiệt hơn.

Các hoạt động khác nhau do ALU thực hiện có thể được phân loại như sau:

Các phép toán logic

Dưới đây là các phép toán logic khác nhau, chẳng hạn như AND, OR, NOT, XOR, NOR, NAND, v.v.

Các phép tính toán học

Đề cập đến phép cộng và trừ các bit. Mặc dù phép nhân và phép chia đôi khi được sử dụng, nhưng các phép toán này thực hiện tốn kém hơn.

Bạn cũng có thể sử dụng phép cộng lặp lại để thay thế phép nhân và phép trừ lặp lại để thay thế phép chia.

Hoạt động dịch chuyển bit

Nó đề cập đến sự dịch chuyển các vị trí bit ở một số vị trí nhất định sang phải hoặc sang trái, được coi là một phép toán nhân.

Đơn vị số học và lôgic

Trong đơn vị số học, phép nhân và chia được thực hiện bằng một loạt các phép tính cộng hoặc trừ và bằng cách dịch chuyển các bit. Có một số cách để biểu diễn số âm.

Có thể thực hiện bất kỳ hoạt động logic nào trong số 16 phép toán logic trên ổ đĩa logic. Ví dụ, đối chiếu hai toán hạng hoặc nhận ra nơi các bit không khớp.

Kiến trúc ALU

ALU có thể truy cập trực tiếp cả đầu vào và đầu ra tới bộ điều khiển bộ xử lý, bộ nhớ chính và các thiết bị đầu vào và đầu ra.

Dữ liệu đầu vào và đầu ra được truyền qua một đường dẫn điện tử gọi là bus. Đầu vào tương ứng với một lệnh, bao gồm một hoặc nhiều toán hạng, mã hoạt động và trong một số trường hợp, là mã định dạng.

Mã hoạt động cho ALU biết hành động mà nó sẽ thực thi, ngoài các toán hạng liên quan đến hoạt động đó. Ví dụ, bạn có thể hướng dẫn hai toán hạng bị trừ hoặc so sánh.

Đầu ra bao gồm một kết quả sẽ được đặt trong một thanh ghi lưu trữ và một cấu hình sẽ cho biết liệu hoạt động có thành công hay không. Nếu không, một số loại trạng thái sẽ được lưu trữ trong trạng thái máy.

Luồng bit và các hoạt động được thực hiện trên chúng trong các đơn vị con ALU được điều khiển bởi các mạch cổng.

Trong các mạch này, đơn vị logic trình tự là đơn vị điều khiển các cổng, thông qua một trình tự cụ thể tương ứng với mỗi mã hoạt động.

Cổng logic

Tất cả thông tin trong máy tính được lưu trữ và xử lý dưới dạng số nhị phân, nghĩa là 0 và 1. Công tắc bóng bán dẫn được sử dụng để xử lý số nhị phân, vì chỉ có hai trạng thái có thể có trong công tắc: mở hoặc đã đóng cửa.

Một bóng bán dẫn mở, không có dòng điện chạy qua, biểu thị giá trị 0. Một bóng bán dẫn kín, có dòng điện chạy qua, biểu thị giá trị 1.

Hoạt động có thể được thực hiện bằng cách kết nối nhiều bóng bán dẫn. Một bóng bán dẫn có thể được sử dụng để điều khiển bóng bán dẫn thứ hai. Ví dụ, công tắc cho một bóng bán dẫn bật hoặc tắt tùy thuộc vào trạng thái của bóng bán dẫn thứ hai.

Đây được gọi là cổng, bởi vì sự sắp xếp này có thể được sử dụng để cho phép hoặc dừng dòng điện.

Các cổng là các khối xây dựng của ALU. Chúng được chế tạo từ điốt, điện trở hoặc bóng bán dẫn. Các cổng này được sử dụng trong mạch tích hợp để biểu diễn đầu vào nhị phân ở trạng thái "bật" và "tắt".

ALU được cấu hình thông qua một mạch tổ hợp. Mạch này sử dụng các cổng logic như AND, OR, NOT cho cấu trúc của nó.

Và cổng

Cổng AND có hai hoặc nhiều đầu vào. Đầu ra của cổng AND là 1 nếu tất cả các đầu vào là 1. Cổng AND trả về 0 nếu bất kỳ dữ liệu đầu vào nào là 0.

Cổng HOẶC

Cổng OR có thể có hai hoặc nhiều đầu vào. Đầu ra của cổng OR sẽ luôn là 1 nếu bất kỳ đầu vào nào là 1 và 0 nếu tất cả các đầu vào là 0.

Cổng KHÔNG

Loại hoạt động đơn giản nhất là cổng KHÔNG. Nó chỉ sử dụng một bóng bán dẫn duy nhất. Nó sử dụng một đầu vào duy nhất và tạo ra một đầu ra duy nhất, luôn ngược lại với đầu vào.

Cổng NOT được sử dụng để đảo ngược kết quả của các cổng hoặc đảo ngược trạng thái Boolean từ 0 đến 1 và từ 1 đến 0. Nó cũng được sử dụng với cổng "AND" và "OR".

Khi được sử dụng cùng với cổng VÀ hoặc "HOẶC", cổng KHÔNG được biểu thị bằng một vòng tròn nhỏ phía trước cả hai cổng.

Sau khi sử dụng cổng NOT, cổng AND trở thành NAND và cổng "OR" trở thành NOR.

Hồ sơ

Chúng là một thành phần rất quan trọng trong ALU để lưu trữ các lệnh, dữ liệu trung gian, các toán hạng đầu vào, các toán hạng được thêm vào, kết quả tích lũy, được lưu trữ trong bộ tích lũy và kết quả cuối cùng.

Thanh ghi cung cấp khả năng truy cập bộ nhớ rất nhanh so với bộ nhớ đệm, RAM và đĩa cứng. Chúng được xây dựng trong CPU và nhỏ.

Người giới thiệu

1. Paul Zandbergen (2019). Đơn vị logic số học (ALU): Định nghĩa, Thiết kế & Chức năng. Học. Lấy từ: study.com.
2. Techopedia (2019). Đơn vị logic số học (ALU). Lấy từ: trầnpedia.com.
3. Margaret Rouse (2019). Đơn vị logic số học (ALU). Mục tiêu công nghệ. Lấy từ: whatis.techtarget.com.
4. Dinesh Thakur (2019). Đơn vị logic số học (ALU) là gì? - Định nghĩa và ý nghĩa. Ghi chú Ecomputer. Lấy từ: ecomputernotes.com.
5. Wikipedia, bách khoa toàn thư miễn phí (2019). Đơn vị logic số học. Lấy từ: en.wikipedia.org.