什么是算术逻辑单元 (ALU)？ALU 是如何开发的？

算术逻辑单元 (ALU) 被定义为嵌入计算机中央处理器 (CPU) 中的电路板，它使用由晶体管制成的网关执行数学和逻辑运算，这些网关可以传输 0 和 1 的信号。

本文解释了它的含义、ALU 的各个组件及其功能。

什么是算术逻辑单元 (ALU)?

算术逻辑单元 (ALU) 是嵌入在计算机中央处理器 (CPU) 中的电路板，它使用由晶体管制成的网关执行数学和逻辑运算，这些网关可以传输 0 和 1 的信号。

ALU 的核心是一个数字组合电路，可对整数二进制变量执行算术和按位函数。相反，浮点单元 (FPU) 处理浮点值(即，对实值的概率引导再现的数值运算)。

如果CPU是计算机的大脑，那么ALU就是它的计算器。它是对存储在寄存器中的信息执行算术计算的电路发生的地方。它还包含用于比较值的电路，例如确定寄存器中的值是否相同。

一切最终都由 CU(控制单元)协调，它根据需要使用 ALU、内存单元、寄存器和其他 CPU 组件来获取和解码指令、从存储中读取数据、执行命令，并可能将寄存器写回。

虽然这个总体功能保持不变，但算术逻辑单元 (ALU) 可以是以下类型：

基于整数：整数 ALU 旨在对非十进制整数的整数执行逻辑和算术函数。通常，此 ALU 用于执行计算机中经常使用的基本数学运算，例如加法、减法、乘法和除法。

具有位片结构的 ALU ：位片 ALU 由许多较小的 ALU 组成，每个 ALU 负责对不同的位集合执行操作。这允许 ALU 通过将较大的值分解为较小的位来对它们进行运算。

混合算术逻辑单元：混合 ALU 是多种 ALU 的混合，旨在执行各种逻辑和算术功能。这种 ALU 经常出现在更高级和更强大的计算机处理器中。

ALU 是如何开发的?

1945 年，数学家约翰·冯·诺依曼在对 EDVAC 计算机基础的研究中提出了 ALU 的想法。

在整个信息时代的早期阶段，电子电路相当昂贵、庞大且耗能。因此，大多数早期的计算机，例如 PDP-8，都有一个基本的 ALU，它可以同时处理单个数据位，同时为程序员提供更大的字长(CPU 一次可以计算的最大位数)。

1948 年的 Whirlwind I 是早期具有多个 ALU 电路并能够处理 16 位字的计算机之一。

Fairchild 于 1967 年使用 Fairchild 3800 创建了第一个构造为集成电路的 ALU，它由一个只有一个累加器的 8 位 ALU 组成。其他集成 ALU 紧随其后。通常，这些设备具有“位片”功能，这意味着它们可以使用许多链接的 ALU 芯片来构建具有更大字长的 ALU。

ALU 发展的下一个阶段是 70 年代微处理器开始出现的时候。尽管晶体管的尺寸经常减小，但没有足够的空间容纳全字宽完整的 ALU。因此，一些早期的微处理器具有有限的 ALU，每条指令需要许多周期。

遵循摩尔定律，晶体管的几何尺寸随着时间的推移进一步缩小，使得在微处理器上构建更大的 ALU 成为可能。

现代集成电路 (IC) 电路比早期的微处理器薄得多，因此可以在 IC 上容纳非常复杂的 ALU。当今的许多 ALU 都具有宽字宽和桶形移位器或二进制乘法器等功能。这使它们能够(仅在一个时钟周期内)执行在先前 ALU 上需要多个时钟周期的操作。

ALU 可以实现为机械、机电或完全电子电路，但它们的核心操作和概念保持不变。