ALU (وحدة الحساب المنطقي): العمليات والهندسة المعمارية - تقنية - 2025

و ALU (وحدة حسابية منطقية) هو الدوائر الإلكترونية الذي تتمثل مهمته في تنفيذ جميع العمليات المتعلقة بإجراءات المنطق والحساب العددي. تم إدراجه كمكون لا غنى عنه لوحدة المعالجة المركزية (CPU) لأجهزة الكمبيوتر.

تتضمن وحدات المعالجة المركزية الحديثة وحدات ALU قوية ومعقدة للغاية. في بعض هياكل وحدة المعالجة المركزية ، يتم تقسيم ALU إلى وحدة حسابية ووحدة منطقية. بالإضافة إلى ALU ، تشتمل وحدات المعالجة المركزية الحالية على وحدة تحكم.

المصدر: CC BY-SA 3.0، https://commons.wikimedia.org/w/index.php ؟curid=168473

يتم تنفيذ معظم عمليات وحدة المعالجة المركزية بواسطة واحد أو أكثر من وحدات ALU ، عندما يتم تحميل البيانات من سجلات الإدخال. السجل عبارة عن مساحة صغيرة خالية للتخزين كجزء من وحدة المعالجة المركزية.

تخبر وحدة التحكم ALU بالإجراء المطلوب تشغيله بهذه المعلومات ، وتحفظ النتيجة في سجل الإخراج. تقوم وحدة التحكم بنقل المعلومات بين المسجلات و ALU والذاكرة.

نظرًا لأن الإجراءات تصبح أكثر تعقيدًا ، فإن وحدة ALU ستشغل أيضًا مساحة أكبر لوحدة المعالجة المركزية ، وتكلف أكثر ، وتولد المزيد من الحرارة.

العمليات التي نفذتها ALU

وحدة ALU مخصصة بشكل أساسي لأداء العمليات المنطقية والرياضية ، بما في ذلك عمليات إزاحة البتات. هذه عمليات أساسية يجب تنفيذها على جميع البيانات تقريبًا التي تعالجها وحدة المعالجة المركزية.

الوحدة الحسابية المنطقية هي ذلك المكون من وحدة المعالجة المركزية التي تقوم بجميع العمليات الحسابية التي قد تحتاجها وحدة المعالجة المركزية. إنه جزء "الحساب" من الكمبيوتر ، حيث يقوم بإجراء العمليات الحسابية والمنطقية الأساسية.

الكثير من الإجراءات ذات طبيعة منطقية. وفقًا لتصميم وحدة المعالجة المركزية (ALU) ، يمكن إعطاء وحدة المعالجة المركزية طاقة أكبر. ومع ذلك ، سيؤدي ذلك أيضًا إلى استخدام المزيد من الطاقة وإنتاج المزيد من الحرارة.

يمكن تصنيف العمليات المختلفة التي يقوم بها ALU على النحو التالي:

العمليات المنطقية

فيما يلي العمليات المنطقية المختلفة ، مثل AND و OR و NOT و XOR و NOR و NAND وما إلى ذلك.

عمليات حسابية

يشير إلى جمع وطرح البتات. على الرغم من استخدام الضرب والقسمة في بعض الأحيان ، إلا أن أداء هذه العمليات يكون أكثر تكلفة.

يمكن أيضًا استخدام الجمع المتكرر للتعويض عن الضرب والطرح المتكرر كبديل للقسمة.

عمليات تحويل البت

يشير إلى إزاحة مواضع البتات في عدد معين من الأماكن إلى اليمين أو اليسار ، وهو ما يعتبر عملية ضرب.

الوحدة الحسابية والمنطقية

في الوحدة الحسابية ، يتم إجراء الضرب والقسمة من خلال سلسلة من عمليات الجمع أو الطرح وعن طريق إزاحة البتات. هناك عدة طرق لتمثيل الأرقام السالبة.

يمكن إجراء أي من 16 عملية منطقية محتملة على محرك الأقراص المنطقي. على سبيل المثال ، مقارنة معاملين أو التعرف على مكان عدم تطابق البتات.

هندسة ALU

يمكن لوحدة ALU الوصول مباشرة إلى كل من الإدخال والإخراج إلى وحدة التحكم في المعالج والذاكرة الرئيسية وأجهزة الإدخال والإخراج.

يتم إرسال بيانات الإدخال والإخراج عبر مسار إلكتروني يسمى ناقل. يتوافق الإدخال مع التعليمات ، والتي تتضمن معاملاً واحدًا أو أكثر ، ورمز عملية ، وفي بعض الحالات ، رمز تنسيق.

يُظهر كود العملية لوحدة الحساب المنطقية (ALU) الإجراء الذي يجب أن تقوم به ، بالإضافة إلى المعاملات التي تدخل في هذه العملية. على سبيل المثال ، يمكنك توجيه المعاملين إلى طرحهما أو مقارنتهما.

يتكون الناتج من نتيجة سيتم وضعها في سجل تخزين وتكوين سيوضح ما إذا كانت العملية ناجحة أم لا. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فسيتم تخزين نوع من الحالات في حالة الجهاز.

يتم التحكم في تدفق البتات والعمليات التي يتم إجراؤها عليها في وحدات ALU الفرعية بواسطة دوائر البوابة.

في هذه الدوائر ، وحدة منطق التسلسل هي التي توجه البوابات ، من خلال تسلسل محدد يتوافق مع كل رمز عملية.

بوابات المنطق، بوابات منطقية

يتم تخزين جميع المعلومات الموجودة في الكمبيوتر ومعالجتها في شكل أرقام ثنائية ، أي 0 و 1. تُستخدم مفاتيح الترانزستور للتعامل مع الأرقام الثنائية ، نظرًا لوجود حالتين محتملتين فقط في المحول: فتح أو مغلق.

يمثل الترانزستور المفتوح ، الذي لا يمر خلاله أي تيار ، 0. الترانزستور المغلق ، الذي يمر من خلاله التيار ، يمثل 1.

يمكن إنجاز العمليات من خلال توصيل عدة ترانزستورات. يمكن استخدام ترانزستور واحد لقيادة ترانزستور ثان. على سبيل المثال ، يتم تشغيل أو إيقاف تشغيل مفتاح ترانزستور واحد اعتمادًا على حالة الترانزستور الثاني.

يُعرف هذا باسم البوابة ، لأنه يمكن استخدام هذا الترتيب للسماح بالتيار الكهربائي أو إيقافه.

البوابات هي اللبنات الأساسية لوحدة ALU. إنها مبنية من الثنائيات أو المقاومات أو الترانزستورات. تُستخدم هذه البوابات في الدائرة المتكاملة لتمثيل إدخال ثنائي كحالة "تشغيل" و "إيقاف".

يتم تكوين ALU من خلال دائرة اندماجية. تستخدم هذه الدائرة بوابات منطقية مثل AND و OR و NOT لتشكيلها.

والبوابة

تحتوي البوابة AND على مدخلين أو أكثر. ناتج البوابة AND هو 1 إذا كانت جميع المدخلات 1. ترجع البوابة AND 0 إذا كان أي من بيانات الإدخال يساوي 0.

بوابة أو

يمكن أن تحتوي بوابة OR على مدخلين أو أكثر. سيكون خرج بوابة OR دائمًا 1 إذا كان أي من المدخلات 1 و 0 إذا كانت جميع المدخلات 0.

لا بوابة

أبسط نوع من العمليات هو بوابة NOT. يستخدم فقط ترانزستور واحد. يستخدم مدخلًا واحدًا وينتج مخرجات فردية ، والتي تكون دائمًا عكس الإدخال.

تُستخدم البوابة NOT لعكس نتيجة البوابات أو لعكس الحالة المنطقية من 0 إلى 1 ومن 1 إلى 0. كما تُستخدم أيضًا مع بوابة "AND" و "OR".

عند استخدامها بالاقتران مع البوابة AND أو "OR" ، يتم تمثيل البوابة NOT بدائرة صغيرة أمام كلا البوابتين.

بعد استخدام بوابة NOT ، تصبح البوابات AND NAND وتصبح بوابات "OR" هي NOR.

السجلات

إنها مكون مهم جدًا في ALU لتخزين التعليمات والبيانات الوسيطة ومعاملات الإدخال والمعاملات المضافة والنتيجة المتراكمة المخزنة في المجمع والنتيجة النهائية.

توفر السجلات وصولاً سريعًا جدًا إلى الذاكرة ، مقارنةً بذاكرة التخزين المؤقت وذاكرة الوصول العشوائي والقرص الصلب. إنها مدمجة في وحدة المعالجة المركزية وهي صغيرة.

المراجع

1. بول زاندبيرجين (2019). وحدة المنطق الحسابي (ALU): التعريف والتصميم والوظيفة. دراسة. مأخوذة من: study.com.
2. تيكوبيديا (2019). وحدة المنطق الحسابي (ALU). مأخوذة من: ceilingpedia.com.
3. مارجريت روس (2019). وحدة المنطق الحسابي (ALU). تك تارجيت. مأخوذة من: whatis.techtarget.com.
4. دينيش ثاكور (2019). ما هي وحدة المنطق الحسابي (ALU)؟ - التعريف والمعنى. ملاحظات الكمبيوتر الإلكتروني. مأخوذة من: ecomputernotes.com.
5. ويكيبيديا ، الموسوعة المجانية (2019). وحدة المنطق الحسابية. مأخوذة من: en.wikipedia.org.