基于ARM的嵌入式原理与应用:ALU的功能与特点

简介: 基于ARM的嵌入式原理与应用:ALU的功能与特点

一.定义

       我们知道,一个CPU由控制单元CU(Control Unit),算数/逻辑运算单元ALU(Arithmetic Logic Unit)和存储单元MU(Memory Unit)三大部分组成。而我们的ALU在CPU里则主要进行数据的算数运算和逻辑运算。它是计算机中负责运算的“大脑”,能够处理加法、减法、乘法、除法等基本算术运算,以及与、或、非、异或等逻辑运算。ALU还能执行一些辅助运算,如移位和求补操作。


命名:算术逻辑单元(Arithmetic&Logic Unit),简称ALU

组成:ALU有2个单元,算术单元(Arithmetic Unit)和逻辑单元(Logic Unit),算术单元负责计算机里的所有数字操作

作用:计算机中负责运算的组件,处理数字/逻辑的最基本单元

二.功能

算术运算:ALU能够执行基本的算术运算,包括加法、减法、乘法和除法。在许多ALU设计中,还可以处理更复杂的运算,如求模、增量(加一)和减量(减一)等。


逻辑运算:ALU执行逻辑运算,如与(AND)、或(OR)、非(NOT)、异或(XOR)等。这些运算通常用于条件判断和位操作。


移位操作:ALU可以进行位序列的左移(SHL)和右移(SHR),以及算术移位。


比较操作:ALU能够比较两个数值的大小,并设置相应的标志(如进位标志、零标志、符号标志等)以指示比较结果。


三.结构

       构成ALU最基本的构件是一位全加器(两个数相加,接受受低位进位,输出结果和向高位的进位)


 

一位全加器+函数发生器可以构成一位全功能全加器,不仅可以进行算数运算还可以进行逻辑运算

由一位全功能全加器经过复合、级联、优化设计得到实际中的ALU

四.特点

并行处理能力:ALU能够同时对多个位进行操作,这使得它能够快速处理数据。


高速度:由于ALU是CPU执行运算的核心部分,因此它通常设计得非常快速,以适应高速的数据处理需求。


固定操作周期:ALU执行运算通常在一个或几个时钟周期内完成,保证了运算的稳定性和可预测性。


有限的操作集:虽然ALU能执行多种类型的运算,但它的操作集是固定的,这意味着它只能执行那些在硬件中预先定义的操作。


数据宽度:ALU的数据宽度通常与CPU的字长相同,例如32位、64位等,这决定了ALU一次可以处理的数据量。


标志寄存器:ALU的操作结果常常会影响标志寄存器中的特定位,这些标志可以用于后续的决策过程,如跳转指令的条件判断。


可编程性:ALU的操作可以通过指令来控制,这使得它可以灵活地执行各种不同的运算任务。

五.实例说明

假设 R2 = 5, R3 = 3


指令: ADD R1, R2, R3


步骤:

1. CU 获取指令 ADD R1, R2, R3

2. CU 解码指令,识别操作和寄存器

3. CU 从寄存器文件获取 R2 和 R3 的值(5 和 3)

4. ALU 执行加法运算: 5 + 3 = 8

5. ALU 将结果 8 发送给 CU

6. CU 将结果 8 写入 R1

7. ALU 设置标志位(如果没有溢出,则进位标志为0,结果不为零,所以零标志为0)

8. CU 更新 PSW 中的标志位

9. CU 准备执行下一条指令


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