设计4位alu完成8种运算(设计4个标识并写8句话)

[读书笔记]《计算机科学速成课》—5算术逻辑单元-ALU

深入剖析：计算机科学速成课—第五章：算术逻辑单元（ALU）的奥秘

计算机的核心功能之一就是处理数字，而计算机的计算中心这一切——算术逻辑单元（ALU）是计算机的数学大脑。
它是一切行动的指挥中心。
无论硬件如何发展，ALU的重要性始终是不可替代的。

1970年，Intel74181的诞生彻底改变了计算机架构。
作为第一个完整集成在单芯片上的ALU，它以其4位输入和70个逻辑门的精致设计开启了高效计算的新篇章。
虽然它还不能执行乘法和除法运算，但这只是ALU能力的冰山一角。

ALU由两个关键组件组成：算术单元和逻辑单元。
让我们一一揭开他们的谜团。

算术单元：数字世界的运算大师

算术单元负责加、减、自增等重要任务。
其核心是实现二进制加法。
想象一下如何添加两位？这是逻辑门的阶段，其中“与”门、“或”门、“非”门和“异或”门共同构建一个基本的1位加法器。

一个简单的例子，当我们将两个单位输入A和B相加时，异或门就像一个自然加法器，它的输出正是和的表示。
但不要忘记，进位的关键环节需要一个额外的电路——半加器，它使用与门来标记进位，展示操作的深度和复杂性。

从半加器到全加器：构建数字桥

半加器是构建更复杂加法器的基石。
将半加器的输出作为新的输入，与进位相结合，就得到了全加器，它可以处理两位数加法，同时也可以处理进位。
全加器的真值表揭开了它的秘密，通过半加器的巧妙组合，我们构建了一个8位加法器，避免了溢出问题。

现代计算机使用先行进位加法器，它在速度和精度之间取得了平衡，但仍然保持对ALU核心运算的依赖。

逻辑单元：智能逻辑判断

逻辑单元负责执行AND、OR、NOT等运算，以及更复杂的数值测试。
以8位ALU为例，其V形结构清楚地显示了输入、操作码和输出之间的交互。
通过4位指令代码，ALU可以执行多种算术和逻辑运算。
同时，它产生的标志位，如ZERO和NEGATIVE，提供关键运算结果判断，如判断A是否等于B，或者A是否小于B，以及判断是否发生溢出。

综上所述，ALU是计算机的计算核心，其设计和演进体现了技术的迭代和进步。
从早期的简单运算到现代的复杂处理，ALU一直是计算机科学的关键驱动力，并在我们的数字世界中发挥着不可或缺的作用。

计算机基础-第5课：算术逻辑单元ALU

算术逻辑单元ALU是计算机的核心部件之一，负责执行数学和逻辑运算。
在计算机科学中，ALU是“Arithmetic&LogicUnit”的缩写，其功能是处理数字并执行各种算术和逻辑运算，构成现代计算机的基础。
著名的ALU之一是1970年发布的Intel74181。
它是第一个集成在单个芯片上的完整ALU，采用4位设计，由大约70个逻辑门组成。
虽然它不能执行乘法或除法，但它的设计极大地促进了计算机的小型化和成本降低，使它们变得更强大、更便宜。
ALU主要由算术单元和逻辑单元组成。
算术单元处理所有数值运算，并通过实现加法器支持更复杂的运算。
例如，要乘以12×5，您实际上将12加五次。
由于乘法运算比较复杂，需要多次加法运算，因此一些廉价处理器使用简单的算术单元，而高端处理器则配备专用乘法器。
逻辑单元负责执行简单的数值测试以及逻辑运算，例如AND、OR、NOT和XOR。
例如，您可以使用逻辑单元来检测ALU输出是否为零。
这些操作共同构成了ALU的功能，并支持计算机执行各种指令和操作。
半加器和全加器是ALU内部设计中的重要组成部分。
当半加器处理两个数字相加时，它可以实现简单的加法，但是当两个数字都是1时，它就会遇到进位问题。
全加器通过引入进位输入参数解决了这个问题，并且可以实现更复杂的加法运算。
随着位数的增加，需要多个全加器来组成多位加法器，例如8位或更大的加法器。
为了提高计算速度，现代计算机使用进位加法器代替行波进位加法器，以减少每次进位所需的时间。
超前进位加法器设计使计算机能够执行更快的加法运算，支持每秒数十亿次运算的高效计算。
ALU的抽象设计使工程师不必关注底层逻辑门的配置，从而使设计过程更加高效。
ALU的图通常用抽象符号来表示，例如“大V”形，以描述其内部结构和功能。