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Unidade Lógica Aritmética (ALU): Definição, Design e Função

O que é uma ALU?

Uma unidade lógica aritmética (ALU) é um circuito digital usado para realizar operações aritméticas e lógicas. Ele representa o bloco de construção fundamental da unidade central de processamento (CPU) de um computador. CPUs modernas contêm ALUs muito poderosas e complexas. Além das ALUs, as CPUs modernas contêm uma unidade de controle (CU).

A maioria das operações de uma CPU é realizada por uma ou mais ALUs, que carregam dados de registradores de entrada. Um registro é uma pequena quantidade de armazenamento disponível como parte de uma CPU. A unidade de controle informa à ALU qual operação realizar com esses dados, e a ALU armazena o resultado em um registro de saída. A unidade de controle move os dados entre esses registros, a ALU e a memória.

Como funciona uma ALU

Uma ALU executa operações aritméticas e lógicas básicas. Exemplos de operações aritméticas são adição, subtração, multiplicação e divisão. Exemplos de operações lógicas são comparações de valores como NOT, AND e OR.

Todas as informações em um computador são armazenadas e manipuladas na forma de números binários , ou seja, 0 e 1. Os interruptores do transistor são usados ​​para manipular os números binários, pois há apenas dois estados possíveis de um interruptor: aberto ou fechado. Um transistor aberto, através do qual não há corrente, representa um 0. Um transistor fechado, através do qual há uma corrente, representa um 1.

As operações podem ser realizadas conectando vários transistores. Um transistor pode ser usado para controlar um segundo – na verdade, ligando ou desligando a chave do transistor dependendo do estado do segundo transistor. Isso é conhecido como uma porta porque o arranjo pode ser usado para permitir ou interromper uma corrente.

O tipo de operação mais simples é uma porta NOT. Isso usa apenas um único transistor. Ele usa uma única entrada e produz uma única saída, que é sempre o oposto da entrada. Esta figura mostra a lógica da porta NOT:


Como um NOT gate processa dados binários
alu not gate

Outras portas consistem em vários transistores e usam duas entradas. A porta OU resulta em 1 se a primeira ou a segunda entrada for 1. A porta OU só resulta em 0 se ambas as entradas forem 0. Esta figura mostra a lógica da porta OU:


Como uma porta OR processa dados binários
alu ou portão

A porta AND resulta em 1 apenas se a primeira e a segunda entrada forem 1s. Esta figura mostra a lógica da porta AND:


Como uma porta AND processa dados binários
alu e portão

A porta XOR, também pronunciada porta X-OR, resulta em 0 se ambas as entradas forem 0 ou se ambas forem 1. Caso contrário, o resultado é 1. Esta figura mostra a lógica da porta XOR:


Como uma porta XOR processa dados binários.
Alu Xor Gate

As várias portas parecem um pouco abstratas, mas lembre-se de que um computador processa apenas dados binários. Ao seguir a lógica binária dessas operações, você começa a pensar como um computador.

Diferentes combinações de portas lógicas tornam possível realizar operações aritméticas. Por exemplo, no codem binário, o número 2 é representado como um-zero e o número 3 é representado como um-um. Então, como um computador adiciona 2 e 3? O cálculo é implementado usando uma série de portas OR, AND e XOR. O resultado das etapas de processamento lógico é um-zero-um, que é o código binário para 5.

As portas permitem que um computador divida qualquer operação complexa em um grande número de etapas binárias. À primeira vista, pode parecer um sistema bastante complicado para realizar uma adição simples; entretanto, um computador pode realizar essas operações na velocidade de sua CPU, que é medida em gigahertz, ou trilhões de cálculos por segundo. Além disso, uma CPU típica contém centenas de milhões de transistores, o que torna possível criar ALUs muito sofisticadas. Um computador também processa sequências binárias muito maiores por vez. Como resultado, operações complexas podem ser realizadas em frações de segundo.

Resumo da lição

Vamos revisar. A unidade de processamento central de um computador contém uma unidade lógica aritmética (ALU) para realizar operações. Os transistores são usados ​​para criar portas lógicas, incluindo NOT, OR, AND e XOR. As combinações de portas lógicas tornam possível realizar operações aritméticas.

Resultados de Aprendizagem

A lição dá a capacidade de:

  • Definir unidade lógica aritmética (ALU)
  • Identifique portas lógicas NOT, OR, AND e XOR
  • Explique como uma ALU realiza operações aritméticas