从零入门Alu算术逻辑单元的组成及原理01

Alu 是 cpu 里的 算术逻辑单元

一个32位的Alu由32个独立的Alu 单元组成 每一个Alu单元的构成 由逻辑单元（and or not 等）和选择器组成， 选择器相当于控制选择哪个逻辑门或者逻辑群进行操作, 如下图 所示的一位选择器 比如有三个输入（A,B,C) 有一个输出 out, 细心发现 当A为 0时 out的结果取决于 B的值，当A为1的时候out的结果取决于C的值，因此 A相当于选择器 只不过是一位选择器，一位选择器 可以控制两个输入，当有更多位数时候，可以控制2^n个输入.  

可能又有人疑问了，那么计算机自己是怎么设置控制器里的值的呢，其实值是由我们自己设置的，比如当我们声明一个变量 int a =1 此时编译器会将这行代码变成包含操作码的机器码，操作码就是控制器里对应的值。而cpu只需要转换这些机器码就可以了。

刚刚说了Alu里面包含简单的and or not，那么通过简单的And or not 就可以 执行复杂的加法操作，减法操作。

比如一个无符号位的加法     001  ，001二进制转换为十进制是1，因此结果是2，此时  110中的0刚好就是1异或1的结果，而异或                                             +001 

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的公式表达是~ABV~BA,也就是相同为1不同为0，细心发现异或是由~A（not 逻辑门） ~AB（and逻辑门）以及V代表的或逻辑门组成。这个例子证明了通过简单的逻辑Alu就能执行更复杂的运算，当这些逻辑不断组合可以实现更复杂的操作。

在Alu启动的时候, Alu内部已经计算好了输入的值所所对应的and，or,not，xor等运算的的结果，不管接下来的操作是否要用到这些结果，每个Alu都会预先先将这些计算结果进行保留，比如有两个输入A和B，其值分别为0和1,那么and,or,xor的结果分别是0，1，1，将这些结果保留到Alu单元里。随后接受控制器中的信号，选择要输出的值。下图是完整的Alu单元组成的简化模型，Binvert的含义是将输入的B的值进行取反是逻辑and是逻辑与，可以看到从左到右Alu先将两个输入的and,or结果计算出来并保留，当operation也就是选择器设置不同的值，就将不同逻辑门里面计算出来的值输出。