ALU (หน่วยเลขคณิตเชิงตรรกะ): การดำเนินการและสถาปัตยกรรม - เทคโนโลยี - 2026

ALU (เลขคณิต Logical Unit)เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีฟังก์ชั่นคือการดำเนินการทุกขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับขั้นตอนของตรรกะและการคำนวณเชิงตัวเลข เป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ของหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ของคอมพิวเตอร์

ซีพียูล่าสุดประกอบด้วย ALU ที่ทรงพลังและซับซ้อน ในโครงสร้าง CPU บางตัว ALU จะแบ่งออกเป็นหน่วยเลขคณิตและหน่วยตรรกะ นอกเหนือจาก ALU แล้วซีพียูในปัจจุบันยังมีชุดควบคุม

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

การทำงานส่วนใหญ่ของ CPU ดำเนินการโดย ALU หนึ่งตัวขึ้นไปเมื่อข้อมูลถูกโหลดจากรีจิสเตอร์อินพุต รีจิสเตอร์เป็นพื้นที่ว่างขนาดเล็กสำหรับจัดเก็บเป็นส่วนหนึ่งของซีพียู

ชุดควบคุมจะบอก ALU ว่าจะรันโพรซีเดอร์ใดกับข้อมูลนั้นและบันทึกผลลัพธ์ลงในรีจิสเตอร์เอาต์พุต ชุดควบคุมดำเนินการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างรีจิสเตอร์ ALU และหน่วยความจำ

เมื่อขั้นตอนมีความซับซ้อนมากขึ้น ALU ก็จะใช้พื้นที่ CPU มากขึ้นเสียค่าใช้จ่ายมากขึ้นและสร้างความร้อนมากขึ้น

ดำเนินการโดย ALU

ALU มีไว้เพื่อดำเนินการทางตรรกะและคณิตศาสตร์เป็นหลักรวมถึงการดำเนินการกะบิต นี่คือกระบวนการพื้นฐานที่ต้องดำเนินการกับข้อมูลเกือบทั้งหมดที่ CPU ประมวลผล

หน่วยเลขคณิตเชิงตรรกะเป็นส่วนประกอบของ CPU ที่ทำการคำนวณทั้งหมดที่ CPU อาจต้องการ เป็นส่วน "คำนวณ" ของคอมพิวเตอร์เนื่องจากทำหน้าที่คำนวณทางคณิตศาสตร์และตรรกะขั้นพื้นฐาน

ขั้นตอนส่วนใหญ่มีลักษณะเป็นตรรกะ ตามการออกแบบของ ALU ซีพียูสามารถรับพลังงานได้มากขึ้น อย่างไรก็ตามมันจะทำให้คุณใช้พลังงานมากขึ้นและผลิตความร้อนมากขึ้น

การดำเนินการต่าง ๆ ที่ดำเนินการโดย ALU สามารถจำแนกได้ดังนี้:

การดำเนินการทางตรรกะ

นี่คือการดำเนินการทางตรรกะที่แตกต่างกันเช่น AND, OR, NOT, XOR, NOR, NAND เป็นต้น

การคำนวณทางคณิตศาสตร์

หมายถึงการบวกและการลบบิต แม้ว่าบางครั้งจะใช้การคูณและการหาร แต่การดำเนินการเหล่านี้มีราคาแพงกว่าในการดำเนินการ

การบวกซ้ำยังสามารถใช้แทนการคูณและการลบซ้ำเพื่อทดแทนการหารได้

การดำเนินการกะบิต

หมายถึงการเลื่อนตำแหน่งบิตในจำนวนหนึ่งไปทางขวาหรือทางซ้ายซึ่งถือเป็นการดำเนินการคูณ

หน่วยเลขคณิตและตรรกะ

ในหน่วยเลขคณิตการคูณและการหารจะดำเนินการโดยชุดของการบวกหรือการลบและโดยการขยับบิต มีหลายวิธีในการแสดงจำนวนลบ

สามารถดำเนินการทางลอจิคัลได้ 16 รายการบนโลจิคัลไดรฟ์ ตัวอย่างเช่นการตัดกันสองตัวถูกดำเนินการหรือการรับรู้ตำแหน่งที่บิตไม่ตรงกัน

สถาปัตยกรรม ALU

ALU สามารถเข้าถึงทั้งอินพุตและเอาต์พุตไปยังหน่วยควบคุมโปรเซสเซอร์หน่วยความจำหลักและอุปกรณ์อินพุตและเอาต์พุตได้โดยตรง

ข้อมูลอินพุตและเอาต์พุตจะถูกส่งผ่านเส้นทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เรียกว่าบัส อินพุตสอดคล้องกับคำสั่งซึ่งรวมถึงตัวถูกดำเนินการอย่างน้อยหนึ่งตัวรหัสการดำเนินการและในบางกรณีรหัสรูปแบบ

รหัสการดำเนินการจะแสดง ALU ว่าควรดำเนินการใดนอกเหนือจากตัวถูกดำเนินการที่เกี่ยวข้องกับการดำเนินการนั้น ตัวอย่างเช่นคุณสามารถสั่งให้ตัวถูกดำเนินการสองตัวถูกลบหรือเปรียบเทียบกันได้

เอาต์พุตประกอบด้วยผลลัพธ์ที่จะวางในรีจิสเตอร์หน่วยเก็บข้อมูลและคอนฟิกูเรชันที่จะระบุว่าการดำเนินการสำเร็จหรือไม่ ถ้าไม่เช่นนั้นสถานะบางอย่างจะถูกเก็บไว้ในสถานะเครื่อง

กระแสบิตและการดำเนินการที่ดำเนินการในหน่วยย่อย ALU ถูกควบคุมโดยวงจรเกต

ในวงจรเหล่านี้หน่วยลอจิกลำดับคือหน่วยที่กำกับประตูผ่านลำดับเฉพาะที่สอดคล้องกับรหัสการทำงานแต่ละรหัส

ลอจิกเกต

ข้อมูลทั้งหมดในคอมพิวเตอร์จะถูกจัดเก็บและจัดการในรูปแบบของเลขฐานสองนั่นคือ 0 และ 1 สวิตช์ทรานซิสเตอร์ใช้เพื่อจัดการกับเลขฐานสองเนื่องจากสวิตช์ที่เป็นไปได้มีเพียงสองสถานะ: เปิดหรือ ปิด.

ทรานซิสเตอร์แบบเปิดซึ่งไม่มีกระแสผ่านแสดงถึง 0 ทรานซิสเตอร์แบบปิดซึ่งกระแสผ่านแสดงถึง 1

การดำเนินการสามารถทำได้โดยการเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์หลายตัว ทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวสามารถใช้ขับทรานซิสเตอร์ตัวที่สองได้ ตัวอย่างเช่นสวิตช์สำหรับทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งจะเปิดหรือปิดขึ้นอยู่กับสถานะของทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง

สิ่งนี้เรียกว่าประตูเนื่องจากการจัดเรียงนี้สามารถใช้เพื่ออนุญาตหรือหยุดกระแสไฟฟ้าได้

ประตูเป็นส่วนประกอบสำคัญของ ALU พวกเขาสร้างขึ้นจากไดโอดตัวต้านทานหรือทรานซิสเตอร์ ประตูเหล่านี้ใช้ในวงจรรวมเพื่อแสดงอินพุตไบนารีเป็นสถานะ "เปิด" และ "ปิด"

ALU ถูกกำหนดค่าผ่านวงจรคอมบิเนเตอร์ วงจรนี้ใช้ลอจิกเกตเช่น AND, OR ไม่ใช่สำหรับโครงสร้างของมัน

และประตู

ประตู AND มีอินพุตตั้งแต่สองตัวขึ้นไป เอาต์พุตของประตู AND คือ 1 หากอินพุตทั้งหมดเป็น 1 ประตู AND จะส่งกลับ 0 หากข้อมูลอินพุตใด ๆ เป็น 0

หรือประตู

ประตู OR สามารถมีอินพุตได้ตั้งแต่สองตัวขึ้นไป เอาต์พุตของ OR gate จะเป็น 1 เสมอหากอินพุตใด ๆ เป็น 1 และ 0 หากอินพุตทั้งหมดเป็น 0

ไม่ใช่ประตู

ประเภทของการทำงานที่ง่ายที่สุดคือ NOT gate ใช้ทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียว ใช้อินพุตเดียวและสร้างเอาต์พุตเดียวซึ่งตรงกันข้ามกับอินพุตเสมอ

ประตู NOT ใช้เพื่อย้อนกลับผลลัพธ์ของประตูหรือเปลี่ยนสถานะบูลีนจาก 0 เป็น 1 และจาก 1 เป็น 0 นอกจากนี้ยังใช้กับประตู "AND" และ "OR"

เมื่อใช้ร่วมกับประตู AND หรือ "OR" ประตู NOT จะแสดงเป็นวงกลมเล็ก ๆ ด้านหน้าประตูทั้งสอง

หลังจากใช้ประตู NOT ประตู AND จะกลายเป็น NAND และประตู "OR" จะกลายเป็น NOR

บันทึก

เป็นส่วนประกอบที่สำคัญมากใน ALU ในการจัดเก็บคำสั่งข้อมูลระดับกลางตัวถูกดำเนินการป้อนข้อมูลตัวถูกดำเนินการที่ถูกเพิ่มผลการสะสมซึ่งเก็บไว้ในตัวสะสมและผลลัพธ์สุดท้าย

รีจิสเตอร์ช่วยให้สามารถเข้าถึงหน่วยความจำได้รวดเร็วมากเมื่อเทียบกับแคช RAM และฮาร์ดดิสก์ มี CPU ในตัวและมีขนาดเล็ก

อ้างอิง

1. Paul Zandbergen (2019). Arithmetic Logic Unit (ALU): ความหมายการออกแบบและฟังก์ชัน ศึกษา. นำมาจาก: study.com.
2. เทโคพีเดีย (2019). หน่วยลอจิกเลขคณิต (ALU) นำมาจาก: ceilingpedia.com.
3. Margaret Rouse (2019). หน่วยเลขคณิต - ลอจิก (ALU) Techtarget นำมาจาก: whatis.techtarget.com.
4. Dinesh Thakur (2019). Arithmetic Logic Unit (ALU) คืออะไร? - ความหมายและความหมาย หมายเหตุเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ นำมาจาก: ecomputernotes.com.
5. Wikipedia สารานุกรมเสรี (2019) หน่วยตรรกะเลขคณิต นำมาจาก: en.wikipedia.org.