ALU运算基本原理 ALU发展

今天小编要和大家分享的是ALU运算基本原理 ALU发展，接下来我将从ALU运算基本原理，ALU的发展，结构简单的低压低功耗ALU单元设计，这几个方面来介绍。

ALU是计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件，运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算,与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等造作,都称作算术逻辑部件(ALU)。

ALU运算基本原理

计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器;处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。

数据运算器的处理对象是数据，所以数据长度和计算机数据表示方法，对运算器的性能影响极大。70年代微处理器常以1个、4个、8个、16个二进制位作为处理数据的基本单位。大多数通用计算机则以16、32、64位作为运算器处理数据的长度。能对一个数据的所有位同时进行处理的运算器称为并行运算器。如果一次只处理一位，则称为串行运算器。有的运算器一次可处理几位(通常为6或8位)，一个完整的数据分成若干段进行计算，称为串并行运算器。运算器往往只处理一种长度的数据。有的也能处理几种不同长度的数据，如半字长运算、双倍字长运算、四倍字长运算等。有的数据长度可以在运算过程中指定，称为变字长运算。

按照数据的不同表示方法，可以有二进制运算器、十进制运算器、十六进制运算器、定点整数运算器、定点小数运算器、浮点数运算器等。按照数据的性质，有地址运算器和字符运算器等。

操作运算器能执行多少种操作和操作速度，标志着运算器能力的强弱，甚至标志着计算机本身的能力。运算器最基本的操作是加法。一个数与零相加，等于简单地传送这个数。将一个数的代码求补，与另一个数相加，相当于从后一个数中减去前一个数。将两个数相减可以比较它们的大小。

左右移位是运算器的基本操作。在有符号的数中，符号不动而只移数据位，称为算术移位。若数据连同符号的所有位一齐移动，称为逻辑移位。若将数据的最高位与最低位链接进行逻辑移位，称为循环移位。

运算器的逻辑操作可将两个数据按位进行与、或、异或，以及将一个数据的各位求非。有的运算器还能进行二值代码的16种逻辑操作。

乘、除法操作较为复杂。很多计算机的运算器能直接完成这些操作。乘法操作是以加法操作为基础的，由乘数的一位或几位译码控制逐次产生部分积，部分积相加得乘积。除法则又常以乘法为基础，即选定若干因子乘以除数，使它近似为1，这些因子乘被除数则得商。没有执行乘法、除法硬件的计算机可用程序实现乘、除，但速度慢得多。有的运算器还能执行在一批数中寻求最大数，对一批数据连续执行同一种操作，求平方根等复杂操作。

ALU的发展

算术逻辑单元（ALU）是进行整数运算的结构。现阶段是用电路来实现，应用在电脑芯片中。

在计算机中，算术逻辑单元（ALU）是专门执行算术和逻辑运算的数字电路。ALU是计算机中央处理器的最重要组成部分，甚至连最小的微处理器也包含ALU作计数功能。在现代CpU和GpU处理器中已含有功能强大和复杂的ALU；一个单一元件也可能含有ALU。

1945年数学家冯诺伊曼在一篇介绍被称为EDVAC的一种新型电脑的基础构成的报告中提出ALU的概念。

早期发展

1946年，冯诺伊曼与同事合作为普林斯顿高等学习学院(IAS)设计计算机。随后IAS计算机成为后来计算机的原形。在论文中，冯诺伊曼提出他相信计算机中所需的部件，其中包括ALU。冯诺伊曼写到，ALU是计算机的必备组成部分，因为已确定计算机一定要完成基本的数学运算，包括加减乘除。于是他相信「（计算机）应该含有专门完成此类运算的部件。」

数字系统

ALU必须使用与数字电路其他部分使用同样的格式进行数字处理.对现代处理器而言,几乎全都使用二进制补码表示方式。早期的计算机曾使用过很多种数字系统，包括反码、符号数值码，甚至是十进制码，每一位用十个管子。以上这每一种数字系统所对应的ALU都有不同的设计，而这也影响了当前对二进制补码的优先选择，因为二进制补码能简化ALU加法和减法的运算。一个简单的能进行与或非和加运算的2位ALU。

可行性分析

绝大部分计算机指令都是由ALU执行的。ALU从寄存器中取出数据，数据经过处理将运算结果存入ALU输出寄存器中。其他部件负责在寄存器与内存间传送数据。控制单元控制着ALU，通过控制电路来告诉ALU该执行什么操作。

简单运算

大部分ALU都可以完成以下运算∶

整数算术运算（加、减，有时还包括乘和除，不过成本较高）

位逻辑运算（与、或、非、异或）

移位运算（将一个字向左或向右移位或浮动特定位，而无符号延伸），移位可被认为是乘以2或除以2。

复杂运算

工程师可设计能完成任何运算的ALU，不论运算有多复杂；问题在于运算越复杂，ALU成本越高，在处理器中占用的空间越大，消耗的电能越多。于是，工程师们经常计算一个折中的方案，提供给处理器（或其他电路）一个能使其运算高速的ALU，但同时又避免ALU设计的太复杂而价格昂贵。设想你需要计算一个数的平方根，数字工程师将评估以下的选项来完成此操作∶

设计一个极度复杂的ALU，它能够一步完成对任意数字的平方根运算。这被称为单时钟脉冲计算。

设计一个非常复杂的ALU，它能够分几步完成一个数字的平方根运算。不过，这里有个诀窍，中间结果经过一连串电路，就像是工厂里的生产线。这甚至使得ALU能够在完成前一次运算前就接受新的数字。这使得ALU能够以与单时钟脉冲同样的速度产生数字，虽然从ALU输出的结果有一个初始延迟。这被称为计算流水线。

设计一个复杂的ALU，它能够计算分几步计算一个数字的平方根。这被称为互动计算，经常依赖于带有嵌入式微码的复杂控制单元。

在处理器中设计一个简单的ALU，去掉一个昂贵的专门用于此运算的处理器，再选择以上三个选项之一。这被称为协处理器。

告诉编成人员没有协处理器和仿真设备，于是他们必须自己写出算法来用软件计算平方根。这是由软件图书馆完成的。

对协处理器进行仿真，也就是说，只要一个程序想要进行平方根的计算，就让处理器检查当前有没有协处理器。如果有的话就使用其进行计算，如果没有的话，中断程序进程并调用操作系统通过软件算法来完成平方根的计算。这被称为软件仿真。

以上给出的选项按最快和最贵到最慢和最经济排列。于是，虽然甚至是最简单的计算机也能计算最复杂的公式，但是最简单的计算机经常需要耗费大量时间，通过若干步才能完成。强大的处理器，比如英特尔酷睿和AMD64系列对一些简单的运算采用1号选项，对最常见的复杂运算采用2号选项，对极为复杂的运算采用3号选项。这是具有在处理器中构造非常复杂的ALU的能力为前提的。

输入和输出

ALU的输入是要进行操作的数据（称为操作数）以及来自控制单元的指令代码，用来指示进行哪种运算。它的输出即为运算结果。在许多设计中ALU也接收或发出输入或输出条件代码到（或来自）状态寄存器。这些代码用来指示一些情况，比如进位或借位、溢出、除数为零等。

ALU与FpU

浮点单元也对两个数值进行算术运算，但是这种运算已浮点数表示，比在ALU中一般使用的补码表示方式复杂的多。为了完成此类运算，FpU里嵌入了多个复杂电路，包括一些内部ALU。工程师一般认为ALU是处理整数型（比如补码和BCD码）算术运算的的电路，而对更为复杂的格式（比如浮点型、复数型）进行计算的电路则拥有一个更加匹配的称谓。

结构简单的低压低功耗ALU单元设计

1.引言

随着手持式个人通讯系统等的发展，低压低功耗高吞吐量电路的需求越来越多，因此低功耗微处理器和元件的设计已经变成了主流。ALU是微处理器最重要的组成部分，其中全加器电路是所有运算电路的基本单元，设计低功耗快速加法器单元是获得低功耗高速运算电路的关键。ALU单元的设计标准是多种多样的，晶体管数量显然是一个主要的关注点，因为它极大的影响了功能单元ALU的设计复杂性。另外两个重要的却又相互矛盾的因素是功耗和速度。与功耗降低相关的一个因素是电路能工作的最低电压,还有一个是晶体管的数量，而全加器晶体管的数量又极大的影响了ALU单元的晶体管数量，因此全加器的设计也是ALU设计中必须重点考虑的一部分。对于已有的全加器的设计按照种类来分有静态CMOS电路，动态电路，传送管和传输门逻辑。其中全静态CMOS电路是最传统的，但需要28个管子。动态电路能极大的减少晶体管的数量但是短路功耗却很大；使用传送门逻辑是一个可选的降低电路复杂性的方案。在中基于传送门和反向器的全加器设计中各使用了20和16个晶体管，为了得到更少管子的全加器，在中基于XOR/XNOR的传送门逻辑电路组成的全加器只用了14个管子，在中，介绍了一个基于传输管的静态能量恢复全加器（SERE），它只使用了10个管子，且不管它自称的功耗小，这个设计相比同类的设计来讲速度比较慢，同时这个设计不能用来级连，因为在低电压下工作时有多阀值损失问题。在中一种新的基于选择电路的10管全加器设计被提出，然而这个设计也同样有多阀值损失问题，以至于不能在低电压级连模式下正确的工作，前面提到的10管全加器都是基于图1的原理来的。文中的ALU单元将采用一种新的10管全加器，它可以减轻阀值损失问题，这个设计可以在使用少量管子的情况下组成快速的并行加法器（RCA）同时保持较低的能量损耗，另外，这个设计可以在较低的工作电压下正确运行。