Arithmetisch-logische Einheit

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Eine arithmetisch-logische Einheit (englisch arithmetic logical unit, daher oft abgekürzt ALU) ist ein elektronisches Rechenwerk, welches in Prozessoren zum Einsatz kommt.

Inhaltsverzeichnis 1 Funktionen 2 Aufbau und Funktionsweise 2.1 Statusregister 3 Siehe auch

[Bearbeiten] Funktionen

Die ALU berechnet arithmetische und logische Funktionen. Sinnvollerweise kann sie mindestens folgende Minimaloperationen durchführen:

• Arithmetisch:
  • Addition (ADD)
• Logisch:
  • Negation (NOT)
  • Konjunktion (Und-Verknüpfung, AND)

Typischerweise liegen jedoch auch noch zusätzlich folgende Operationen vor, die aber auch mittels der oberen drei auf Kosten der Rechenzeit (in mehreren Takten) nachgebildet werden können:

• Arithmetisch:
  • Subtraktion (SUB)
• Logisch:
  • Vergleich (compare, CMP)
  • Disjunktion (Oder-Verknüpfung, OR)
  • Kontravalenz (Exklusiv-Oder-Verknüpfung, XOR, EOR)
• Sonstige:
  • Rechts- und Linksverschiebung (Rechts-, Linksshift, ASR, ASL, LSR, LSL)
  • Links- und Rechtsrotation (ROL, ROR)
  • Register-Manipulationen und Bit-Veränderungen (Bits setzen, löschen und testen)
  • Decimal adjust

Die meisten ALUs verarbeiten Festkommazahlen. Nur einige besondere ALUs, vornehmlich auf Signalprozessoren und modernen PC-Prozessoren, können Fließkommazahlen oder beide Formate direkt verarbeiten.

[Bearbeiten] Aufbau und Funktionsweise

Eine ALU kann meistens zwei Binärwerte mit gleicher Stellenzahl (n) miteinander verknüpfen. Man spricht von n-Bit ALUs. Typische Werte für n sind 8, 16, 32 und 64. Analog werden z.B. die Begriffe 32-Bit oder 64-Bit-CPU verwendet, wenn über den Prozessor gesprochen wird, in dem diese ALUs zum Einsatz kommen.

Die n-Bit ALU ist meist aus einzelnen 1-Bit ALUs zusammengesetzt, die jeweils an die höherwertige ALU ein Carry-Bit weiterreichen, mit dem ein Übertrag an der jeweiligen Stelle gekennzeichnet wird. Um die in Reihe geschalteten 1-Bit ALUs in die geforderte Funktionsart umzuschalten hat jede 1-Bit ALU zusätzlich zu den Eingängen für die zu verknüpfenden Werte und das Carry-Bit noch einen Eingang für einen Steuervektor (Op.-Code), der aus dem Steuerregister (Operationsregister, OR) gelesen wird.

[Bearbeiten] Statusregister

Die Gesamte n-Bit ALU hat außer dem Ausgangsvektor für das Ergebnis noch einen Ausgangsvektor um ihren Zustand zu signalisieren der im Statusregister (auch Condition Code Register) abgelegt wird. Dies ist der Speicher.

Dieses Register enthält meistens vier Statusbits (in Form von Flipflops). Die einzelnen Werte des Statusregisters können in Computerprogrammbefehlen weiterverwendet werden (z.B. für bedingte Sprünge):

• C- (Carry-) Bit: Zeigt den Übertrag an, der bei Addition der n-ten Bits der Operanden entsteht. Es wird als Kennzeichen für Bereichsüberschreitung bei Betrachtung des Ergebnisses als Betragszahl (nur positive Ergebnisse) verwendet. Wird in 2er-Komplement-Darstellung gerechnet (auch negative Zahlen möglich), so spielt das Carry-Flag für die Bereichsüberschreitung keine direkte Rolle.
• V- (Overflow-) Bit: zeigt Zahlenbereichsüberschreitung bei 2er-Komplement-Rechnung an. Weitere mögliche Bezeichnungen sind neben V noch OF oder O.
• Z- (Zero-) Bit: zeigt an, ob das Ergebnis der vorhergehenden Rechenoperation Null ist (wird 1, wenn AC-Inhalt = 0 ist).
• N- (Negative-) Bit: wird gesetzt, wenn das Ergebnis der Rechenoperation negativ sein könnte (Zahlenkreis!) (MSB des AC = 1).

Je nach ALU-Typ gibt es weitere Flags, zum Beispiel:

• H- (Half Carry-) Bit: zeigt Übertrag zwischen dem niederwertigen und höherwertigen Halbbyte an. Für Dezimalkorrektur bei der Umwandlung binär zu BCD.
• P- (Parity-) Bit: zeigt je nach Prozessor gerade/ungerade Parität des AC (Akkumulatorregister) an (Anzahl der Bits mit dem Wert 1 ist gerade/ungerade).

[Bearbeiten] Siehe auch

ALUs sind als Rechenwerke verwandt mit MACs.

Parallel Logic Units (PLUs) sind speziell auf Bitmanipulation ausgelegte eingeschränkte ALUs.