什么是算術邏輯單元？

計算機用二進制存儲數(shù)字的目的是為了計算，而計算的過程是由“算術邏輯單元”來完成的。

那什么是算術邏輯單元？

算術邏輯單元（Arithmetic and Logic Unit）簡稱ALU，就是負責實現(xiàn)計算機里的多組算術運算和邏輯運算的組合邏輯電路。

看看上面這個實物，圖片中是最著名的ALU——英特爾74181，1970年發(fā)布，當時它是第一個完全被封裝在單個芯片里的完整ALU，對人們來說這是一個驚人的工程。

今天，讓我們一起用布爾邏輯門來構建一個簡單的與74181功能相同的ALU電路吧。

在構建ALU之前，我們要知道ALU電路包含2個單元，一個是算術單元和一個是邏輯單元。

我們先從算術單元開始，算術單元負責計算機中所有的數(shù)字操作，比如加減法，當然它還會做一些其他簡單的事，比如給某個數(shù)字加1，這叫增量運算。

在算術單元中，我們會用到AND，OR，NOT和XOR邏輯門，最簡單的加法電路，就是有2個二進制的輸入：A和B，還有1個就是輸出，即兩個二進制數(shù)字的和。

假設A和B都是只有一個bit，即0或1，那A和B的運算就只有下列四種可能的組合：

0+0=0

1+0=1

0+1=1

1+1=10

提醒一下，在二進制里，1代表true，0代表false，所以這組輸入和輸出的前三種可能與XOR門的邏輯關系是一樣。

第四中輸入組合，顯然1+1≠2，因為在二進制里是沒有2的，所以結果是0，將1進位到下一位，和為二進制的“10”，對于XOR門的輸出，只對了一部分，即1加1，輸出0，這個時候，我們只需要一根額外的線來代表進位，即只有當輸入是1和1時，進位才是“true”。

針對上面出現(xiàn)的問題，我們可以把AND門加到電路中，即當兩個輸入都為“true”時，輸出才為“true”，這樣就組成了“半加器”電路。

如果你想處理大于1+1的情況，就需要“全加器”（full adder），全加器比半加器復雜點，它有3個bit的輸入：A、B、C，所以最大可能輸入為：1+1+1，總和1，進位1，因此需要兩條輸出線，即進位線與總和線。

其實，我們也可以用半加器來實現(xiàn)全加器的功能，先用半加器將A和B相加，然后把C輸入到第二個半加器中，最后用一個OR門檢查進位是不是true就可以了。

現(xiàn)在，我們可以做一個兩個8 Bit進行相加的電路，這兩個8 bit分別為A和B，看下圖：

我們從A和B的第一位開始相加，第一位分別稱為A0和B0，因為只有2個數(shù)，所以用一個半加器就可以，我們將它倆的和稱為Sum0，考慮到A1和B1相加的時候可能會有A0和B0相加的進位，就會有3個數(shù)，所以從A1和B1相加開始就得用全加器，然后依次類推，搞定8個bit的相加，這叫 “8位脈動進位加法器”。

請注意：A7和B7的全加器有“進位”輸出，如果它倆相加有輸出進位，代表數(shù)字A和B相加，和超過了8位，這叫“溢出”（overflow）。如果想避免溢出，就得加更多全加器，然后相加16或32位數(shù)字，這就會讓溢出更難發(fā)生，但缺點是每次進位都要一點時間向前移動。

簡單的ALU沒有專門的電路去處理乘法和除法，而是用多次加法實現(xiàn)乘法運算，比如：可以將12加5次來實現(xiàn)12乘以5。

當然，不用去擔心我們現(xiàn)在的筆記本和手機，因為他們有更好的處理器，可以專門做乘法的算術單元哦。

關于算術單元我們說的很多了，現(xiàn)在，我們來說一下ALU的另一半：邏輯單元。邏輯單元執(zhí)行的是邏輯操作，像之前討論過的AND，OR和NOT操作，當然也可以執(zhí)行簡單的數(shù)值測試，比如檢查數(shù)字的正負。

上圖是檢查ALU的輸出是否為0的電路，用了一堆OR門來檢查其中一位是否為1，哪怕只有一個Bit （位）是1，我們就可以肯定那個數(shù)字肯定不是0，然后用一個NOT門取反，所以只有輸入的數(shù)字為0時，輸出才為1。

到此，我們已經(jīng)對ALU進行了一個高層次的概括，甚至做了幾個主要組件，比如脈動進位加法器，雖然只是巧妙的將一大堆邏輯門連在了一起。我們再回到開始時說的ALU，英特爾74181，它只有4位輸入，而我們剛才介紹的是8位輸入，是74181的兩倍哦！

雖然我們沒有做出ALU實物，但是我們應該已經(jīng)對ALU有了整體的概念，它的誕生打開了通向更強大電腦的大門。

由于ALU在市面的應用越來越多，工程師們?yōu)榱朔奖?，就用了一個看起來很像大“V”的符號來代表它。

一個4位的ALU需要很多邏輯門，一個8位的ALU需要的邏輯門肯定更多，我們工程師肯定不想在這里浪費很多時間，那就出現(xiàn)了一種便于ALU執(zhí)行所需要的操作代碼，這個后面有機會再詳細介紹給大家。

ALU除了輸出計算結果外，還會輸出一系列標志（Flag），這個標志代表特定狀態(tài)的1位（bit）輸出，例如，如果我們相減兩個數(shù)字，結果為0，我們的零測試電路就會將零標志設為True（1），這在確定兩個數(shù)字是否相等時是非常有用的。

當然這個標志位也可以用來判斷數(shù)字的大小和是否出現(xiàn)溢出等，如果使用的ALU越好，它的標志也會更多，但剛說的這3個標志是ALU普遍會用到的。
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