Reporte de Practica 8 ALU

Instituto Tecnológico de Villahermosa

 Actividad: Práctica N° 8l

Tema: Unidad Aritmética Lógica

 Asignatura: Circuitos eléctricos y electrónicos

Docente: IIE. Manuel Antonio Rodríguez Magaña

Equipo de trabajo:    

Prats Hernández Luis Enrique  Montejo Ocaña Idolfo Idolfo Hernández Osorio David  Jara Ortiz Justino Justino

Villahermosa, Tabasco, 6/Junio/2011

OBJETIVO El alumno comprenderá el funcionamiento de una unidad aritmética y lógica (UAL), que es un circuito combinacional que realiza las operaciones aritméticas y lógicas básicas en el computador, como son: Operaciones aritméticas básicas: suma, resta, multiplicación, división. Operaciones lógicas básicas: NOT, AND, OR, NAND, NOR. • •

NOMBRE DE LA PRÁCTICA Manejo de registros con unidad aritmética-lógica

MATERIAL UTILIZADO 74157 Multiplexor de dos canales 7447 Decodificador BCD-siete segmentos 74153 Multiplexor de cuatro canales 7483 Sumador completo de 4 bits Display de ánodo común Protoboard Cables calibre 22

INTRODUCCIÓN En computación, la unidad aritmético lógica , también conocida como ALU (siglas en inglés de arithmetic logic unit), es un circuito digital que calcula operaciones aritméticas (como suma, resta, multiplicación, etc.) y operaciones lógicas (si, y, o, no), entre dos números. Muchos tipos de circuitos electrónicos necesitan realizar algún tipo de operación aritmética, así que incluso el circuito dentro de un reloj digital tendrá una ALU minúscula que se mantiene sumando 1 al tiempo actual, y se mantiene comprobando si debe activar el pitido del temporizador, etc. Por mucho, los más complejos circuitos electrónicos son los que están construidos dentro de los chips de microprocesadores modernos. Por lo tanto, estos procesadores tienen dentro de ellos un ALU muy complejo y potente. De hecho, un microprocesador moderno (y los mainframes) pueden tener múltiples núcleos, cada núcleo con múltiples unidades de ejecución, cada una de ellas con múltiples ALU.

Muchos otros circuitos pueden contener en el interior una unidad aritmético lógica: unidades de procesamiento gráfico como las que están en las GPU NVIDIA y AMD, FPU como el viejo coprocesador matemático 80387, y procesadores digitales de señales como los que se encuentran en tarjetas de sonido Sound Blaster, lectoras de CD y los televisores de alta definición. Todos éstos tienen en su interior varias ALU potentes y complejas. Una ALU debe procesar números usando el mismo formato que el resto del circuito digital. Para los procesadores modernos, este formato casi siempre es la representación del número binario de complemento a dos. Las primeras computadoras usaron una amplia variedad de sistemas de numeración, incluyendo complemento a uno, formato signo-magnitud, e incluso verdaderos sistemas decimales, con diez tubos por dígito. Las ALU para cada uno de estos sistemas numéricos mostraban diferentes diseños, y esto influenció la preferencia actual por el complemento a dos, debido a que ésta es la representación más simple, para el circuito electrónico de la ALU, para calcular adiciones y sustracciones, etc.

Un típico símbolo esquemático para una ALU: A y B son operandos; R es la salida; F es la entrada de la unidad de control; D es un estado de la salida.

Operaciones simples

La mayoría de las ALU pueden realizar las siguientes operaciones:

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Operaciones aritméticas de números enteros (adición, sustracción, y a veces multiplicación y división, aunque esto es más complejo) Operaciones lógicas de bits (AND, NOT, OR, XOR, XNOR) Operaciones de desplazamiento de bits (Desplazan o rotan una palabra en un número específico de bits hacia la izquierda o la derecha, con o sin extensión de signo). Los desplazamientos pueden ser interpretados como multiplicaciones o divisiones por 2.

Entradas y salidas

Las entradas a la ALU son los datos en los que se harán las operaciones (llamados operandos) y un código desde la unidad de control indicando qué operación realizar. Su salida es el resultado del cómputo de la operación. En muchos diseños la ALU también toma o genera como entradas o salidas un conjunto de códigos de condición desde o hacia un registro de estado. Estos códigos son usados para indicar casos como acarreo entrante o saliente, overflow, división por cero, etc.

Unidad Aritmética y Lógica (ALU) Su misión es realizar las operaciones con los datos que recibe, siguiendo las indicaciones dadas por la unidad de control. El nombre de unidad aritmética y lógica se debe a que puede realizar  operaciones tanto aritméticas como lógicas con los datos transferidos por la unidad de control. La unidad de control maneja las instrucciones y la aritmética y lógica procesa los datos. Para que la unidad de control sepa si la información que recibe es una instrucción o dato, es obligatorio que la primera palabra que reciba sea una instrucción, indicando la naturaleza del resto de la información a tratar. Para que la unidad aritmética y lógica sea capaz de realizar una operación aritmética, se le deben proporcionar, de alguna manera, los siguientes datos: 1. El código que indique la operación a efectuar. 2. La dirección de la celda donde está almacenado el primer sumando. 3. La dirección del segundo sumando implicado en la operación. 4. La dirección de la celda de memoria donde se almacenará el resultado.

METODOLOGÍA Los valores de entrada se llevan directamente a las puertas, y mediante un multiplexor elegimos la salida de una u otra puerta, es decir, elegimos el resultado de una u otra operación. En esta figura aparece la construcción de esta unidad de operación lógica. Resultado

Implementación de las operaciones lógicas en una ALU de 1 bit.

El siguiente paso a dar en la construcción de nuestra ALU elemental de un bit será incorporar las operaciones aritméticas. Para ello utilizamos un bloque sumador, este bloque sumador ya ha sido desarrollado en el tema de circuitos combinacionales.

Esquema del bloque sumador elemental de 1 bit En esto tomamos en cuenta que el bloque sumador tenía tres entradas, dos entradas para los bits a sumar y la tercera entrada para el carry de la suma anterior o carry previo, que aquí llamaremos carry in. Las salidas del bloque sumador serán el bit de resultado y el b it de carry de salida, que aquí llamaremos carry out, y que a su vez será carry in para el siguiente sumador. El bloque por el que representaremos el sumador. Si ahora incorporamos el bloque sumador a nuestra ALU, que sólo realizaba operaciones lógicas, tendremos una primera ALU elemental capaz de realizar  operaciones lógicas y aritméticas. En esta primera ALU elemental, existen cuatro posibles operaciones, AND, OR, XOR y Suma, a partir de los mismos operandos de entrada. La elección de una u otra se realiza a través del multiplexor, la combinación binaria que aparece en las líneas de selección del multiplexor indicarán cuál de las entradas (qué operación) aparece a la salida de nuestra ALU elemental. La combinación binaria de entrada viene dada por la señal Operación (compuesta por dos bits) que se corresponde con la operación que queremos realizar.

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Esquema de una ALU elemental con operaciones lógica y Sumador elemental

Queda ahora por añadir a esta ALU inicial la capacidad de restar dos bits. Realizar la operación de restar es igual que sumar la versión negativa de un operando, o lo que es lo mismo: (A - B) = A + (-B). Es de esta forma como los sumadores realizan la resta. Cuando se explicó la codificación de números enteros se vieron varios formatos; uno de ellos es el denominado complemento a dos. En complemento a dos se vio que era posible representar números positivos y negativos. Los números positivos se representaban de la misma forma que en binario natural, y los números negativos se obtenían a partir de la codificación binaria del número considerado como positivo y luego complementándolo a dos, o lo que es lo mismo, invertir los bits de la codificación binaria del número (los ceros pasan a unos y los unos a ceros, esta operación a veces se denomina complemento a uno), y al resultado de la operación anterior sumarle 1. Para construir la operación aritmética de resta, si en nuestro esquema de ALU elemental añadimos un nuevo multiplexor que nos permita elegir entre el operando B o su negado, ya tendremos la mitad del camino recorrido (obtención del inverso de la combinación binaria del número a restar). La señal Resta controlará qué entrada del multiplexor se tomará, la normal o la invertida. Para obtener el número negativo aún hemos de sumar 1 al número invertido. Cada sumador elemental hemos visto que tiene tres entradas, los operandos  A y B y la entrada carry in o carry de la suma anterior. Sin embargo, el primer sumador  elemental, o el que suma los bits menos significativos, no necesitaría la señal carry in, puesto que no existe ninguna suma anterior. Tendremos:  A + B + 1 = A + (B +1) = A + (-B) = A B  – 

Esquema de una ALU elemental capaz de realizar la resta de operandos Por tanto, con este esquema seremos capaces de realizar la resta de dos números. Observar que no se ha aumentado excesivamente la complejidad de la ALU elemental para realizar las operaciones de suma y resta, y es por este motivo que se utiliza el complemento a dos como estándar para la aritmética entera en los computadores. Con esto finalizamos la construcción de la ALU elemental, que servirá de base para la construcción de una ALU completa.

TABLA DE FUNCIONES DEL C.I. DM74LS181N

CONCLUSIONES Con esta práctica, podemos concluir que esta unidad es la encargada de realizar las operaciones elementales de tipo aritmético (generalmente sumas o restas) y de tipo lógico (generalmente comparaciones) en los computadores. El uso de los multiplexores en el diseño de circuitos combinacionales, es una herramienta eficiente para simplificar la aplicación de los mismos. El uso de los multiplexores, además de disminuir el tamaño de los circuitos, también disminuye considerablemente su costo y el procedimiento de mantenimiento. También esto se relaciona con el componente principal de los computadores, que es la CPU o unidad central de proceso UCP es el verdadero cerebro de la computadora; su misión consiste en coordinar y controlar o realizar todas Las operaciones del sistema. Se compone de elementos cuya naturaleza es exclusivamente electrónica (circuitos). La unidad central de proceso UCP es el verdadero cerebro de la computadora; su misión consiste en coordinar y controlar o realizar todas Las operaciones del sistema. Se compone de elementos cuya naturaleza es exclusivamente electrónica (circuitos). Sus partes principales son Las siguientes: 

El Procesador (P). Que a su vez se compone de: La unidad de control (UC). o La unidad aritmético lógica (UAL). o La Memoria Central (MC).  – 

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La unidad central de proceso también incorpora un cierto número de registros rápidos (pequeñas unidades de memoria) de propósito especial, que son utilizados internamente por la misma.