Arithmetisch-logische Einheit (Arithmetic-Logic Unit, ALU)
Eine arithmetisch-logische Einheit (arithmetic-logic unit, ALU) ist der Teil eines Computerprozessors (CPU, Central Processing Unit), der arithmetische und logische Operationen an den Operanden in Computerbefehlswörtern ausführt. Bei einigen Prozessoren ist die ALU in zwei Einheiten unterteilt, eine arithmetische Einheit (Arithmetic Unit, AU) und eine logische Einheit (Logic Unit, LU). Einige Prozessoren enthalten mehr als eine AU – zum Beispiel eine für Festkomma- und eine für Gleitkommaoperationen. (In PCs werden Gleitkommaoperationen manchmal von einer Gleitkommaeinheit auf einem separaten Chip ausgeführt, der als numerischer Coprozessor bezeichnet wird).
Typischerweise hat die ALU direkten Ein- und Ausgabezugriff auf die Prozessorsteuerung, den Hauptspeicher (Direktzugriffsspeicher oder RAM in einem Personalcomputer) und die Ein-/Ausgabegeräte. Ein- und Ausgang (E/A, Input/Output, I/O) fließt entlang eines elektronischen Pfades, der als Bus bezeichnet wird. Die Eingabe besteht aus einem Befehlswort (manchmal als Maschinenbefehlswort bezeichnet), das einen Operationscode (manchmal als Op-Code bezeichnet), einen oder mehrere Operanden und manchmal einen Formatcode enthält. Der Operationscode teilt der ALU mit, welche Operation auszuführen ist, während die Operation die Operanden zu deren Ausführung benötigt. Das Format kann mit dem Op-Code kombiniert werden und gibt beispielsweise an, ob es sich um eine Festkomma- oder Gleitkomma-Anweisung handelt. Die Ausgabe besteht aus einem Ergebnis, das in einem Speicherregister abgelegt wird, und Einstellungen, die angeben, ob die Operation erfolgreich durchgeführt wurde. (Ist dies nicht der Fall, wird ein Status an einem permanenten Ort gespeichert, der als Statusregister bezeichnet wird).
Im Allgemeinen umfasst die ALU Speicherplätze für Eingabeoperanden, Operanden, die addiert werden, das akkumulierte Ergebnis (in einem Akkumulator gespeichert) und verschobene Ergebnisse. Der Fluss der Bits und die auf ihnen ausgeführten Operationen in den Untereinheiten der ALU werden durch Gate-Schaltungen gesteuert. Die Gates in diesen Schaltungen werden wiederum von einer Sequenzlogikeinheit gesteuert, die für jeden Operationscode einen bestimmten Algorithmus oder eine bestimmte Sequenz verwendet. In der arithmetischen Einheit erfolgt die Multiplikation und Division durch eine Reihe addierender oder subtrahierender und verschiebender Operationen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, negative Zahlen darzustellen. In der Logikeinheit kann eine von 16 möglichen logischen Operationen durchgeführt werden – zum Beispiel der Vergleich zweier Operanden und das Auffinden nicht übereinstimmender Bits.
Das Design der ALU ist offensichtlich ein kritischer Teil des Prozessors, und es werden ständig neue Ansätze zur Beschleunigung der Befehlsverarbeitung entwickelt.
