Unité arithmétique et logique
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L'unité arithmétique et logique, abrégée UAL (ou bien ALU, Arithmetic Logic Unit en anglais), est l'organe de l'ordinateur chargé d'effectuer les calculs. Le plus souvent, l'UAL est incluse dans l'unité centrale ou le microprocesseur.
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[modifier] Différents types d'UAL
Les UAL peuvent être spécialisées ou pas. Les UAL élémentaires calculent sur des nombres entiers, et peuvent effectuer les opérations communes, que l'on peut séparer en quatre groupes :
- Les opérations arithmétiques : addition, soustraction, changement de signe etc.,
- les opérations logiques : compléments à un, à deux, ET, OU, OU-exclusif, NON, NON-ET etc.,
- les comparaisons : test d'égalité, supérieur, inférieur, et leur équivalents « ou égal »,
- éventuellement des décalages et rotations (mais parfois ces opérations sont externalisées).
Certaines UAL sont spécialisées dans la manipulation des nombres à virgule flottante, en simple ou double précision (on parle d'unité de calcul en virgule flottante ou floating point unit (FPU)) ou dans les calculs vectoriels. Typiquement, ces unités savent accomplir les opérations suivantes :
- additions, soustractions, changement de signe,
- multiplications, divisions,
- comparaisons,
- modulos
Certaines UAL, le plus souvent de la classe des FPUs, notamment celles des superordinateurs, sont susceptibles d'offrir des fonctions avancées :
- inverse (1/x),
- racine carrée,
- logarithmes,
- fonctions transcendantales (sin x, cos x, etc.),
- opération vectorielle (produit scalaire, vectoriel, etc.),
- etc.
Un processeur fait appel à plusieurs UAL, au moins deux : une située dans le chemin de contrôle pour incrémenter le registre de programme (de 1, 2, 4 ou 8 typiquement), et une autre dans le chemin de données pour traiter l'information. Pour augmenter leurs performances, elles sont le plus souvent pipelinées.
[modifier] Notation
Une UAL est schématisée comme sur la figure ci-contre.
Celle-ci possède deux entrées A et B sur lesquelles on présentera les données à traiter. L'entrée F désignera l'opération à effectuer. Enfin, celle-ci possède deux sorties, R qui sera le résultat de l'opération, et D les drapeaux qui indiqueront soit qu'il y a eu erreur (division par zéro, dépassement de capacité etc.), soit des codes conditions (supérieur, inférieur, égal à zéro etc.). Au milieu de ce schéma, l'opérateur est marqué (par exemple l'opérateur +,x,...).
[modifier] Exemples
[modifier] L'UAL 4 bits 74181 (TTL)
Voici, par exemple, une UAL qui fut très utilisée au moment où seuls les circuits intégrés TTL étaient disponibles : le 74181, une UAL de 4 bits. Ce circuit est destiné à être connecté en cascade avec d'autres pour traiter des entiers de taille supérieure à 4 bits. Il est à la base des UAL de l'Alto et dans de nombreux modèles de PDP-11 (16 bits).
Sa table de vérité décrivant quelle opération est accomplie suivant les valeurs des entrées M et S.
| Fonction | M = 1 | M = 0 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| S3 | S2 | S1 | S0 | Opération logique | Cn = 0 | Cn = 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | F = non A | F = A | F = A + 1 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | F = non (A ou B) | F = A ou B | F = (A ou B) + 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | F = (non A) et B | F = A ou (non B) | F = (A ou (non B)) + 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | F = 0 | F = - 1 | F = 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | F = non (A et B) | F = A + (A et (non B)) | F = A + (A et (non B)) + 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | F = non B | F = (A ou B) + (A et (non B)) | F = (A ou B) + (A et(non B)) + 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | F = A xor B | F = A - B - 1 | F = A - B |
| 0 | 1 | 1 | 1 | F = A et (non B) | F = (A et (non B)) - 1 | F = A et (non B) |
| 1 | 0 | 0 | 0 | F = (non A) ou B | F = A + (A et B) | F = (A + (A et B)) + 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | F = non (A xor B) | F = A + B | F = A + B + 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | F = B | F = (A ou (non B)) + (A et B) | F = A ou (non B) + (A et B) + 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | F = A et B | F = (A et B) - 1 | F = A et B |
| 1 | 1 | 0 | 0 | F = 1 | F = A + (A << 1) | F = A + A + 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | F = A ou (non B) | F = (A ou B) + A | F = (A ou B) + A + 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | F = A ou B | F = (A ou (non B)) + A | F = A (not B) plus A plus 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | F = A | F = A - 1 | F = A |
Attention : ce tableau peut contenir des erreurs.
Le schéma de ce circuit est donné ci dessous.
[modifier] Utilisation de multiplexeurs 4 vers 1 comme UAL
Cette technique est utilisée dans l'UAL de l'IBM Strech alias IBM 7030 (1958). Le concept repose sur le choix judicieux du code fonction F : il correspond aussi au résultat de l'opération désirée. Par exemple, pour faire un ET, on choisira le code F = 0001, correspondant à la dernière colonne de la table de vérité du ET logique : fabriqué par le professeur Takesrit M.
| A | B | A ET B |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Selon la valeur presentée sur l'entrée F, on génère la fonction voulue : F = 0001 est un ET, F = 0111 un OU, F = 0110 un OU exclusif etc.
Ainsi, les entrées (2 bits chacune) A et B servent à sélectionner le bon bit de l'entrée F. Le premier multiplexeur prend, comme entrée, les deux bits de poids faible de A et B. Ils servent à sélectionner une des lignes de F : 00 sélectionnera la première ligne, 01 la seconde et ainsi de suite. Le second multiplexeur agit de la même façon avec les deux bits de poids fort de A et B :
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Le schéma des multiplexeurs 4 vers 1 ci-dessus est construit à base de circuits intégrés TTL tout à fait standard, dont les références sont affichées. Il s'agit de portes NON, ET et NON-OU.
