ALU Aritmeticko-logická jednotka

Aritmeticko-logická jednotka (ALU arithmetic logic unit) je jedna ze základních komponent počítačového procesoru (tou druhou je řadič), ve které se provádějí všechny aritmetické (např. sčítání, násobení, bitový posuv, …) a logické (logický součin, negace, …) výpočty. V mnoha dnešních procesorech je na jednom procesoru více než jedna ALU, obvykle rozdělené na jednotky pro práci s celočíselnými operandy a jednotky pro práci s operandy v plovoucí řádové čárce (ty se někdy neoznačují jako ALU, ale jako FPU, floating-point unit). Jednotlivé ALU pracují relativně nezávisle, takže procesor může v jednom hodinovém taktu provést více instrukcí ve více jednotkách současně. Jednotlivé operace v aritmeticko-logické jednotce jsou prováděny nad operandy s pevně daným rozsahem závislým na architektuře. Výpočty s libovolnou přesností je tak zapotřebí provádět pomocí softwarových knihoven.

Vlastnosti aritmeticko-logické jednotky do značné míry určují i vlastnosti celého počítače. Jedná se například o takzvanou bitovou šířku či šířku slova. Počítač pracuje s dvojkovou soustavou, tj. jednotlivými bity, některé starší počítače, resp. jejich procesory, například pracovaly přímo v desítkové soustavě. Většina domácích počítačů, používala osmibitové mikroprocesory, jejichž ALU dokázala v jedné instrukci zpracovat celá čísla (integer) o délce osmi bitů, tj. v rozsahu pouhých –128 až 127 nebo 0 až 255. Všechny operace s většími čísly musely být naprogramovány, což vedlo ke zpomalení práce – pokud ovšem nebereme v úvahu delší čas výpočtu, je možné na osmibitových mikroprocesorech (resp. osmibitových ALU) provádět i výpočty například s čísly uloženými ve formátu pohyblivé řádové čárky, nebo i výpočty s libovolnou přesností. Pozdější mikroprocesory měly 16-tibitové ALU, 32-tidvoubitové ALU a dnes dokonce 64-­bitové aritmeticko-logické jednotky, což pro většinu problémů řešených na počítačích více než dostačuje.

Integrovaná aritmeticko-logická jednotka (ALU), realizovaná integrovaným obvodem 74181, vykonává se dvěma čtyřbitovými operandy A a B 16 aritmetických operací a 16 logických operací ve dvojkové soustavě. Obvod provádí např. aritmetické operace: sčítání, odčítání, přičtení jedničky, dvojkový doplněk, posuv o 1 místo vlevo, porovnání obou čísel a další. Dále obvod vykonává logické operace: logický součet OR, logický součin AND, dále funkce NAND, NOR, NOT, ekvivalenci XNOR a nonekvivalenci XOR a další. Výběr operací je prováděn pomocí řídicích vstupů S0 až S3. Bit M určuje typ prováděné operace. Pro M = 1 provádí obvod logické operace a pro M = 0 provádí aritmetické operace. Kromě toho je druh operace závislý na hodnotě přenosu z nižšího řádu Cn.

Je-li třeba zpracovávat data s více než 4 bity, mohou se obvody ALU 74181 řadit do série. Aby se přitom nezpomaloval výpočet v důsledku zpoždění šíření přenosu aritmetickými jednotkami, používá se speciální integrovaný obvod pro zrychlení šíření přenosu s označením 74182. Zapojení čtyř ALU jednotek pro délku operandů 16 bitů se zapojením obvodu pro zrychlení přenosu je znázorněno na dalším obrázku. Označení CLA značí "Carry Look-Ahead".