في نظام الكمبيوتر، يعد ALU مكونًا رئيسيًا لوحدة المعالجة المركزية، والتي تعني وحدة المنطق الحسابي وتقوم بتنفيذ العمليات الحسابية والمنطقية. تُعرف أيضًا باسم وحدة الأعداد الصحيحة (IU) وهي عبارة عن دائرة متكاملة داخل وحدة المعالجة المركزية (CPU) أو وحدة معالجة الرسومات (GPU)، وهي العنصر الأخير الذي يقوم بإجراء العمليات الحسابية في المعالج. لديه القدرة على تنفيذ جميع العمليات المتعلقة بالعمليات الحسابية والمنطقية مثل عمليات الجمع والطرح والإزاحة، بما في ذلك المقارنات المنطقية (عمليات XOR وOR وAND وNOT). كما يمكن للأرقام الثنائية إنجاز العمليات الرياضية والبتية. يتم تقسيم وحدة المنطق الحسابي إلى AU (وحدة حسابية) و LU (وحدة منطقية). تخبرها المعاملات والأكواد التي تستخدمها وحدة ALU بالعمليات التي يجب تنفيذها وفقًا لبيانات الإدخال. عندما تكمل وحدة ALU معالجة الإدخال، يتم إرسال المعلومات إلى ذاكرة الكمبيوتر.
باستثناء إجراء العمليات الحسابية المتعلقة بالجمع والطرح، تتعامل وحدات ALU مع ضرب عددين صحيحين لأنها مصممة لتنفيذ حسابات الأعداد الصحيحة؛ ومن ثم فإن نتيجته هي أيضًا عدد صحيح. ومع ذلك، قد لا يتم تنفيذ عمليات القسمة عادةً بواسطة ALU لأن عمليات القسمة قد تنتج نتيجة برقم الفاصلة العائمة. وبدلاً من ذلك، تقوم وحدة الفاصلة العائمة (FPU) عادةً بمعالجة عمليات القسمة؛ يمكن أيضًا إجراء حسابات أخرى غير صحيحة بواسطة FPU.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمهندسين تصميم وحدة ALU لتنفيذ أي نوع من العمليات. ومع ذلك، يصبح ALU أكثر تكلفة حيث تصبح العمليات أكثر تعقيدًا لأن ALU يدمر المزيد من الحرارة ويشغل مساحة أكبر في وحدة المعالجة المركزية. وهذا هو السبب وراء قيام المهندسين بإنشاء وحدة ALU قوية، مما يوفر ضمانًا بأن وحدة المعالجة المركزية سريعة وقوية أيضًا.
تتم معالجة الحسابات التي تحتاجها وحدة المعالجة المركزية بواسطة وحدة المنطق الحسابي (ALU)؛ معظم العمليات فيما بينها منطقية بطبيعتها. إذا أصبحت وحدة المعالجة المركزية أكثر قوة، فسيتم تصميمها على أساس ALU. ثم يولد المزيد من الحرارة ويستهلك المزيد من الطاقة. لذلك، يجب الاعتدال بين مدى تعقيد وحدة ALU وقوتها وألا تكون أكثر تكلفة. هذا هو السبب الرئيسي وراء كون وحدات المعالجة المركزية الأسرع أكثر تكلفة؛ وبالتالي، فإنها تأخذ الكثير من الطاقة وتدمر المزيد من الحرارة. العمليات الحسابية والمنطقية هي العمليات الرئيسية التي يتم تنفيذها بواسطة ALU؛ كما أنه ينفذ عمليات تحويل البت.
على الرغم من أن وحدة ALU هي مكون رئيسي في المعالج، إلا أن تصميم وحدة ALU ووظيفتها قد يختلفان في المعالجات المختلفة. على سبيل المثال، تم تصميم بعض وحدات ALU لإجراء حسابات الأعداد الصحيحة فقط، وبعضها مخصص لعمليات الفاصلة العائمة. تشتمل بعض المعالجات على وحدة منطقية حسابية واحدة لإجراء العمليات، وقد تحتوي معالجات أخرى على العديد من وحدات الحساب والحساب (ALU) لإكمال العمليات الحسابية. العمليات التي يقوم بها ALU هي:
إشارات وحدة المنطق الحسابي (ALU).
تحتوي وحدة ALU على مجموعة متنوعة من التوصيلات الكهربائية للمدخل والمخرج، مما أدى إلى إرسال الإشارات الرقمية بين الإلكترونيات الخارجية ووحدة ALU.
يحصل مدخل ALU على إشارات من الدوائر الخارجية، واستجابة لذلك، تحصل الأجهزة الإلكترونية الخارجية على إشارات مخرجات من ALU.
بيانات: تحتوي وحدة ALU على ثلاث حافلات متوازية، والتي تشتمل على عاملي إدخال وإخراج. تتعامل هذه الحافلات الثلاث مع عدد الإشارات نفسها.
رمز التشغيل: عندما ستقوم وحدة ALU بتنفيذ العملية، يتم وصفها بواسطة رمز اختيار العملية، ما هو نوع العملية التي ستقوم وحدة ALU بتنفيذ عملية حسابية أو منطقية.
حالة
تكوينات ALU
ويرد أدناه وصف لكيفية تفاعل ALU مع المعالج. تشتمل كل وحدة منطقية حسابية على التكوينات التالية:
سلسلة جافا مقسمة بواسطة محدد
- مجموعة العمارة تعليمات
- المجمع
- كومة
- سجل للتسجيل
- سجل المكدس
- تسجيل الذاكرة
المجمع
يتم احتواء النتيجة الوسيطة لكل عملية بواسطة المجمع، مما يعني أن بنية مجموعة التعليمات (ISA) ليست أكثر تعقيدًا لأنه لا يلزم سوى الاحتفاظ بت واحد فقط.
بشكل عام، فهي سريعة وأقل تعقيدًا ولكنها تجعل المجمع أكثر استقرارًا؛ يجب كتابة الرموز الإضافية لملئها بالقيم المناسبة. لسوء الحظ، مع معالج واحد، من الصعب جدًا العثور على مراكم لتنفيذ التوازي. مثال على المجمع هو الآلة الحاسبة المكتبية.
كومة
كلما تم تنفيذ أحدث العمليات، يتم تخزينها على المكدس الذي يحمل البرامج بترتيب من أعلى إلى أسفل، وهو سجل صغير. عند إضافة برامج جديدة للتنفيذ، فإنها تدفع لوضع البرامج القديمة.
تسجيل-تسجيل الهندسة المعمارية
يتضمن مكانًا لتعليمة وجهة واحدة وتعليمتين للمصدر، المعروف أيضًا باسم آلة تشغيل ذات 3 سجلات. يجب أن تكون بنية مجموعة التعليمات هذه أطول لتخزين ثلاثة معاملات ووجهة واحدة ومصدرين. بعد انتهاء العمليات، سيكون من الصعب إعادة كتابة النتائج إلى السجلات، كما يجب أن يكون طول الكلمة أطول. ومع ذلك، يمكن أن يحدث المزيد من المشكلات المتعلقة بالمزامنة إذا تم اتباع قاعدة إعادة الكتابة في هذا المكان.
يعد مكون MIPS مثالاً على بنية التسجيل للتسجيل. للإدخال، يستخدم معاملين، وللإخراج، يستخدم مكونًا ثالثًا مميزًا. من الصعب الحفاظ على مساحة التخزين حيث يحتاج كل منها إلى ذاكرة مميزة؛ ولذلك، يجب أن تكون متميزة في جميع الأوقات. علاوة على ذلك، قد يكون من الصعب إجراء بعض العمليات.
التسجيل - بنية المكدس
بشكل عام، يُطلق على الجمع بين عمليات التسجيل والمراكم اسم Register - Stack Architecture. يتم دفع العمليات التي يجب تنفيذها في بنية مكدس التسجيل إلى الجزء العلوي من المكدس. ويتم الاحتفاظ بنتائجها في الجزء العلوي من المكدس. بمساعدة استخدام الطريقة البولندية العكسية، يمكن تقسيم العمليات الرياضية الأكثر تعقيدًا. يستخدم بعض المبرمجين، لتمثيل المعاملات، مفهوم الشجرة الثنائية. وهذا يعني أن منهجية التلميع العكسي يمكن أن تكون سهلة لهؤلاء المبرمجين، في حين أنها قد تكون صعبة على المبرمجين الآخرين. لتنفيذ عمليات الدفع والبوب، هناك حاجة إلى إنشاء أجهزة جديدة.
التسجيل والذاكرة
في هذه البنية، يأتي معامل واحد من السجل، والآخر يأتي من الذاكرة الخارجية حيث أنها من أكثر البنيات تعقيدًا. السبب وراء ذلك هو أن كل برنامج قد يكون طويلًا جدًا حيث يتطلب الاحتفاظ به في مساحة الذاكرة الكاملة. بشكل عام، يتم دمج هذه التقنية مع تقنية التسجيل-التسجيل ولا يمكن استخدامها بشكل منفصل.
مزايا ALU
تتمتع ALU بالعديد من المزايا، وهي كما يلي:
- وهو يدعم الهندسة المعمارية والتطبيقات المتوازية ذات الأداء العالي.
- لديه القدرة على الحصول على المخرجات المطلوبة في وقت واحد والجمع بين متغيرات الأعداد الصحيحة والفاصلة العائمة.
- لديه القدرة على تنفيذ التعليمات على مجموعة كبيرة جدًا ويتمتع بنطاق عالٍ من الدقة.
- يمكن دمج عمليتين حسابيتين في نفس الكود مثل الجمع والضرب أو الجمع والطرح، أو أي معاملين بواسطة ALU. للحالة، أ+ب*ج.
- خلال البرنامج بأكمله، تظل متجانسة، ومتباعدة بطريقة لا يمكنها مقاطعة أي جزء منها.
- بشكل عام، فهو سريع جدًا؛ وبالتالي، فإنه يوفر النتائج بسرعة.
- لا توجد مشكلات تتعلق بالحساسية ولا يوجد إهدار للذاكرة مع ALU.
- فهي أقل تكلفة وتقلل من متطلبات البوابة المنطقية.
عيوب ALU
تمت مناقشة عيوب ALU أدناه:
- مع ALU، يكون للمتغيرات العائمة تأخيرات أكثر، وليس من السهل فهم وحدة التحكم المصممة.
- قد تحدث الأخطاء في نتيجتنا إذا كانت مساحة الذاكرة محددة.
- من الصعب فهم الهواة لأن دائرتهم معقدة. كما أن مفهوم خطوط الأنابيب معقد للفهم.
- من عيوب ALU المؤكدة وجود مخالفات في زمن الاستجابة.
- هناك عيب آخر وهو التقريب، مما يؤثر على الدقة.