[科普中国]-算术逻辑单元-

算术逻辑单元(arithmetic and logic unit) 是能实现多组算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路，简称ALU。

简介**算术逻辑单元（Arithmetic&logical Unit）**是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由"And Gate"（与门）和"Or Gate"（或门）构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二位元的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)。基本上，在所有现代CPU体系结构中，二进制都以补码的形式来表示。

发展算术逻辑单元（arithmetic logic unit，缩写ALU）是进行整数运算的结构。现阶段是用电路来实现，应用在电脑芯片中。
在计算机中，算术逻辑单元（ALU）是专门执行算术和逻辑运算的数字电路。ALU是计算机中央处理器的最重要组成部分，甚至连最小的微处理器也包含ALU作计数功能。在现代CPU和GPU处理器中已含有功能强大和复杂的ALU；一个单一的元件也可能含有ALU。
1945年数学家冯诺伊曼在一篇介绍被称为EDVAC的一种新型电脑的基础构成的报告中提出ALU的概念。

早期发展1946年，冯诺伊曼与同事合作为普林斯顿高等学习学院(IAS)设计计算机。随后IAS计算机成为后来计算机的原形。在论文中，冯诺伊曼提到他所相信的计算机中所需的部件，而其中包括ALU。冯诺伊曼写到，ALU是计算机的必备组成部分，因为已确定计算机一定要完成基本的数学运算，包括加减乘除。于是他相信「（计算机）应该含有专门完成此类运算的部件。」

数字系统ALU必须与数字电路的其他部分使用同样的格式来进行数字处理。对现代处理器而言，数值一律使用二进制补码表示。早期的计算机曾使用过很多种数字系统，包括反码、符号数值码，甚至是十进制码，每一位用十个管子。以上这每一种数字系统所对应的ALU都有不同的设计，而这也影响了当前对二进制补码的优先选择，因为二进制补码能简化ALU加法和减法的运算。一个简单的能进行与或非和加运算的2位ALU。

可行性分析绝大部分计算机指令都是由ALU执行的。ALU从寄存器中取出数据。数据经过处理将运算结果存入ALU输出寄存器中。其他部件负责在寄存器与内存间传送数据。控制单元控制着ALU，通过控制电路来告诉ALU该执行什么操作。1

简单运算大部分ALU都可以完成以下运算∶
整数算术运算（加、减，有时还包括乘和除，不过成本较高）
位逻辑运算（与、或、非、异或）
移位运算（将一个字向左或向右移位或浮动特定位，而无符号延伸），移位可被认为是乘以2或除以2。

复杂运算工程师可设计能完成任何运算的ALU，不论运算有多复杂；问题在于运算越复杂，ALU成本越高，在处理器中占用的空间越大，消耗的电能越多。于是，工程师们经常计算一个折中的方案，提供给处理器（或其他电路）一个能使其运算高速的ALU，但同时又避免ALU设计的太复杂而价格昂贵。设想你需要计算一个数的平方根，数字工程师将评估以下的选项来完成此操作∶
设计一个极度复杂的ALU，它能够一步完成对任意数字的平方根运算。这被称为单时钟脉冲计算。
设计一个非常复杂的ALU，它能够分几步完成一个数字的平方根运算。不过，这里有个诀窍，中间结果经过一连串电路，就像是工厂里的生产线。这甚至使得ALU能够在完成前一次运算前就接受新的数字。这使得ALU能够以与单时钟脉冲同样的速度产生数字，虽然从ALU输出的结果有一个初始延迟。这被称为计算流水线。
设计一个复杂的ALU，它能够计算分几步计算一个数字的平方根。这被称为互动计算，经常依赖于带有嵌入式微码的复杂控制单元。
在处理器中设计一个简单的ALU，去掉一个昂贵的专门用于此运算的处理器，再选择以上三个选项之一。这被称为协处理器。
告诉编程人员没有协处理器和仿真设备，于是他们必须自己写出算法来用软件计算平方根。这是由软件库完成的。
对协处理器进行仿真，也就是说，只要一个程序想要进行平方根的计算，就让处理器检查当前有没有协处理器。如果有的话就使用其进行计算，如果没有的话，中断程序进程并调用操作系统通过软件算法来完成平方根的计算。这被称为软件仿真。
以上给出的选项按最快和最贵到最慢和最经济排列。于是，虽然甚至是最简单的计算机也能计算最复杂的公式，但是最简单的计算机经常需要耗费大量时间，通过若干步才能完成。强大的处理器，比如英特尔酷睿和AMD64系列对一些简单的运算采用1号选项，对最常见的复杂运算采用2号选项，对极为复杂的运算采用3号选项。这是具有在处理器中构造非常复杂的ALU的能力为前提的。

输入和输出ALU的输入是要进行操作的数据（称为操作数）以及来自控制单元的指令代码，用来指示进行哪种运算。它的输出即为运算结果。在许多设计中ALU也接收或发出输入或输出条件代码到（或来自）状态寄存器。这些代码用来指示一些情况，比如进位或借位、溢出、除数为零等。

ALU与FPU浮点单元也对两个数值进行算术运算，但是这种运算已浮点数表示，比在ALU中一般使用的补码表示方式复杂的多。为了完成此类运算，FPU里嵌入了多个复杂电路，包括一些内部ALU。工程师一般认为ALU是处理整数型（比如补码和BCD码）算术运算的的电路，而对更为复杂的格式（比如浮点型、复数型）进行计算的电路则拥有一个更加匹配的称谓。2

特点ALU用以计算机指令集中的执行算术与逻辑操作;

某些处理器中，将ALU切分为两部分，即算术单元（AU）与逻辑单元（LU）。某些处理器包含一个以上的AU，如，一个用来进行定点操作，另一个进行浮点操作。（个人计算机中，浮点操作有时由被称为数字协处理器的浮点单元完成）。

通常而言，ALU具有对处理器控制器、内存及输入输出设备的直接读入读出权限。输入输出是通过总线进行的。输入指令包含一个指令字，有时被称为机器指令字，其中包括操作码，单个或多个操作数，有时还会有格式码；操作码指示ALU机要执行什么操作，在此操作中要执行多少个操作数。比如，两个操作数可以进行比较，也可以进行加法操作。格式码可与操作码结合，告知这是一个定点还是浮点指令；输出包括存放在存储寄存器中的结果及显示操作是否成功的设置。如操作失败，则在机器状态字中会有相应的状态显示。

通常，输入操作数、操作数、累加和以及转换结果的存储位置都在ALU中。在算术单元中，乘除操作是通过一系列的加减运算得到的。在机器码中有多种方式用以表示负数。

在逻辑单元中，每次执行16个可能的逻辑运算中的一个。

ALU的设计是处理器设计中的关键部分。仍在不断研究如何提高指令的处理速度。3

逻辑单元逻辑单元(LU)是进入IBM系统网络体系结构(SNA)的网络端口，通过它用户可以访问网络资源，或一个程序员与另一个程序员通信。4

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学